一种微悬臂梁接触长度的测量结构及其方法

摘要

本发明公开了一种微悬臂梁接触长度的测量结构及其方法，该测量结构包括衬底和两个尺寸相同的金属悬臂梁，所述衬底上设有悬臂梁锚区、与测量结构相对应的用于静电激励的下拉电极、分别对应于两个悬臂梁的两个衬底接触电极；所述悬臂梁通过悬臂梁锚区位置对称地并行固定在衬底上方；所述两个衬底接触电极材料相同，其中一个衬底接触电极由两条以上并行排列的窄条电极构成。测量时，在静电激励下悬臂梁自由端与衬底上的两条以上的窄条电极相接触时，将使相应的窄条电极接通，通过测试各窄条电极之间的连通状况判断悬臂梁与衬底接触的位置，从而确定悬臂梁的接触长度。本发明提供的测量结构简单，测量方法容易并且能够实现在线测量。

权利要求

1.一种微悬臂梁接触长度的测量结构，其特征在于：所述测量结构包括衬底(1)、两个尺寸及材料相同的金属第一悬臂梁(31)和第二悬臂梁(32)；所述衬底(1)上设有悬臂梁锚区(2)、与测量结构相对应的用于静电激励的下拉电极(4)、对应于第一悬臂梁(31)的普通衬底接触电极(5)和对应于第二悬臂梁(32)的衬底接触电极；所述第一悬臂梁(31)和第二悬臂梁(32)通过悬臂梁锚区(2)位置对称地并行固定在衬底(1)上方；所述对应于第一悬臂梁(31)的普通衬底接触电极(5)和对应于第二悬臂梁(32)的衬底接触电极材料相同；所述对应于第二悬臂梁(32)的衬底接触电极由两条以上并行排列的窄条电极构成，所述窄条电极末端连接有压焊块。

2.一种如权利要求1所述的微悬臂梁接触长度的测量结构的测量方法，其特征在于所述测量方法如下：

1)在所述第一悬臂梁(31)、第二悬臂梁(32)和下拉电极(4)之间施加电压，在静电力的作用下，第一悬臂梁(31)和第二悬臂梁(32)的自由端向下弯曲并和与之相应的普通衬底接触电极(5)和衬底接触电极接触；

2)当第二悬臂梁(32)与衬底接触电极的两条以上窄条电极相接触时将使相应的窄条电极间接通，通过测试各窄条电极间的接通状况，判断第二悬臂梁(32)与衬底接触电极的接触位置；

3)根据第二悬臂梁(32)与衬底接触电极的接触位置，测量、计算第二悬臂梁(32)与衬底接触电极的接触长度；

4)第一悬臂梁(31)与普通衬底接触电极(5)的接触长度和第二悬臂梁(32)与衬底接触电极的接触长度相同。

说明书

一种微悬臂梁接触长度的测量结构及其方法

技术领域

[0001] 本发明涉及微电子机械系统制造、性能及其可靠性测试的技术领域，尤其涉及一种通过MEMS(微机械系统)加工技术制造的MEMS微悬臂梁在静电驱动下的接触长度的测量结构及其方法。

背景技术

[0002] 可靠性是工业化过程中一个不可缺少的环节。目前，接触特性的研究已经受到越来越多的关注，它直接关系到很多含有微梁可动结构的MEMS器件的可靠性问题。以MEMS微悬臂梁为例，在静电激励下微悬臂梁的自由端与衬底接触，随着静电力的增加，其接触长度随之增加。如果悬臂梁与衬底间的表面作用力大于悬臂梁自身的回复力，还将导致两者粘连在一起不能分离，引起器件的粘附失效。无论梁粘附与否，它与衬底的接触长度都是表征接触特性的重要参量之一，能否方便且精确地测量接触长度将极大地影响接触可靠性问题的研究或接触特性模型的建立。

[0003] 传统的接触长度测量是通过光学仪器进行的，其中白光干涉仪是使用的较多的设备，其通过不同光学元件形成参考光路和检测光路，具有非接触式测量、三维表面测量和分辨率高等优点；但是白光干涉仪体积大，操作要求高，仪器成本昂贵。

发明内容

[0004] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种通过MEMS加工技术制造的MEMS微悬臂梁在静电驱动下的接触长度的测量结构及其方法，该测量结构简单，操作方便，并且能够实现在线测量。

[0005] 技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

[0006] 一种微悬臂梁接触长度的测量结构，包括衬底和两个尺寸及材料相同的金属悬臂梁，所述衬底上设有悬臂梁锚区、与测量结构相对应的用于静电激励的下拉电极、分别对应于两个悬臂梁的两个衬底接触电极；所述两个悬臂梁通过悬臂梁锚区位置对称地并行固定在衬底上方；所述两个衬底接触电极材料相同，其中一个衬底接触电极为普通衬底接触电极，另一个衬底接触电极由两条以上并行排列的窄条电极构成，所述窄条电极末端连接有压焊块，各窄条电极之间无连接。

[0007] 本发明同时提供了一种基于本发明提供的微悬臂梁接触长度的测量结构的测量方法，所述测量方法如下：

[0008] 1)在所述两个金属悬臂梁和下拉电极之间施加电压，在静电力的作用下，两个悬臂梁的自由端向下弯曲并和与之相应的衬底接触电极和普通衬底接触电极接触；

[0009] 2)当对应于由一系列窄条电极构成的衬底接触电极的悬臂梁与两条以上窄条电极相接触时将使相应的窄条电极间接通，通过测试各窄条电极间的接通状况，判断该悬臂梁与衬底接触电极的接触位置；

[0010] 3)根据步骤2)中的悬臂梁与衬底接触电极的接触位置，测量、计算该悬臂梁与衬底接触电极的接触长度；

[0011] 4)另一个悬臂梁和与其对应的普通衬底接触电极的接触长度与步骤3)中测量、计算得到的悬臂梁和衬底接触电极的接触长度相同。

[0012] 两条窄条电极间的接通和未接通这两种状态的电阻相差很大，接通时的电阻一般2
小于10Ω量级(接触电阻的大小与接触材料及接触的紧密程度相关)，未接通时的电阻一般大于MΩ量级。因此，在一定的静电激励下，依次测量各窄条电极之间的电阻，通过电阻所在量级即可判断对应的两条窄条电极的接通状态，进而可以确定悬臂梁与衬底的接触位置。所以通过该方法可以很容易的判断出悬臂梁的接触长度，其分辨率取决于并行排列的各窄条电极的宽度及其相邻窄条电极间的间隙。

[0013] 在下拉电极的静电激励下，两个金属悬臂梁受到的下拉力相同，因此相应的自由端与衬底间的接触长度也基本相同，所以借助对应于由一系列窄条电极构成的衬底接触电极的悬臂梁和窄条电极构成测量结构，可以反映另一个金属悬臂梁和普通衬底接触电极的接触长度，进而可以为分析悬臂梁的接触特性提供参考信息。

[0014] 有益效果：本发明提供的一种微悬臂梁接触长度的测量结构基于MEMS加工技术，在加工被测MEMS器件结构时可以作为陪片一同加工，无须专门制作；与传统MEMS梁的制作过程类似，仅需将衬底接触电极替换为一系列窄条电极即可，即仅需对其中一块掩膜板略加改动。本发明提供的悬臂梁接触长度测量方法简单易行，由于悬臂梁与窄条电极接触与否，直接影响测得的窄条电极之间电阻的量级，因此很容易判断出接触长度，测量速度较快且对测量仪器的要求低，在整个测量过程中施加和检测的都是电学参量，可以很方便的实现在线测量。

附图说明

[0015] 图1为本发明的结构示意图；

[0016] 图2为本发明结构的衬底示意图。

具体实施方式

[0017] 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

[0018] 如图1所示为一种微悬臂梁接触长度的测量结构，所示测量结构由硅微机械加工工艺实现，包括如图2所示的衬底1、两个尺寸相同的金属第一悬臂梁31和第二悬臂梁32；所述衬底1上设有悬臂梁锚区2、与测量结构相对应的用于静电激励的下拉电极4、对应于第一悬臂梁31的普通衬底接触电极5和对应于第二悬臂梁32的衬底接触电极；所述第一悬臂梁31和第二悬臂梁32通过悬臂梁锚区2位置对称地并行固定在衬底1上方；所述对应于第二悬臂梁32的衬底接触电极由七条并行排列的窄条电极构成，所述窄条电极末端连接有压焊块，分别为压焊块60～66，各窄条电极之间以及压焊块之间均无连接。这里金属第一悬臂梁31和第二悬臂梁32、下拉电极4及衬底接触电极5和窄条电极均采用金材料，各窄条电极的宽度和间隙都是5μm。

[0019] 具体测量时的步骤如下：

[0020] 1)在金属第一悬臂梁31、第二悬臂梁32和下拉电极4之间施加相等电压，在静电力的作用下，第二悬臂梁32和第一悬臂梁31的自由端同时向下弯曲并和与之相应的衬底接触电极和普通衬底接触电极5接触。加载电压的大小与梁结构的几何参数和结构参数有关，一般来说，加载电压可以从几伏开始逐渐加大。

[0021] 2)当第二悬臂梁32与衬底接触电极的两条以上窄条电极相接触时将使相应的窄条电极间接通，通过测试各窄条电极间的接通状况，判断第二悬臂梁32与衬底接触电极的接触位置；依次测量压焊块60与61、60与62、60与63、60与64、60与65、60与66之间的电阻，根据电阻所在量级即可判断该组电极的接通与否，进而确定第二悬臂梁32的接触长2
度。例如，当压焊块60与61间的电阻值小于10Ω量级，而60与62之间的电阻值大于MΩ量级时，表明第二悬臂梁32与衬底接触电极的接触位置到达压焊块61对应的窄条电极处。对于具有很多窄条电极的情况，也可以采用类似二分法的测量顺序来检测第二悬臂梁
32与衬底接触电极的接通情况，以提高测试效率。

[0022] 3)根据第二悬臂梁32与衬底接触电极的接触位置，测量、计算第二悬臂梁32与衬底接触电极的接触长度，如步骤2)中第二悬臂梁32与衬底接触电极的接触位置到达压焊块61对应的窄条电极处而没有达到压焊块62对应的窄条电极处，则第二悬臂梁32的接触长度为第二悬臂梁32末端与压焊块61对应的窄条电极间的距离；若60与62之间已接通，而60与63之间未接通，则表明第二悬臂梁32与衬底接触电极的接触长度为第二悬臂梁32末端压到焊块62对应的窄条电极处。

[0023] 4)改变第一悬臂梁31、第二悬臂梁32与下拉电极4之间加载的直流电压，重复步骤2)和3)以得到不同静电激励下，第二悬臂梁32和衬底接触电极的接触长度。

[0024] 5)第一悬臂梁31与普通衬底接触电极5的接触长度和第二悬臂梁32与衬底接触电极的接触长度相同；在下拉电极4的静电激励下，第一悬臂梁31和第二悬臂梁32受到的下拉力相同，因此相应的自由端与衬底间的接触长度也基本相同，所以借助于第二悬臂梁32和窄条电极构成的测量结构，可以反映与之对应的第一悬臂梁31和衬底的接触长度，进而也可以分析第一悬臂梁31(许多MEMS器件的可动部件都具有类似于第一悬臂梁31和普通衬底电极5的结构形式)的接触特性。

[0025] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。