本发明公开了一种新型热驱在线测试微结构冲击强度试验机及检测方法。该新型热驱片上试验机实现了即时的微结构冲击强度测试，利用热驱执行器实现自加载和卸载，排除人为偶然因素，极大地提高了测试准确度，同时利用热驱执行器和V型放大杠杆可以获得传统方法难以获得的大冲击和大冲击脉宽。同时基于该新型试验机提出的测试方法通过同次光刻同次刻蚀释放保证片上试验机的被测样品和实际工作的功能器件具有一致的冲击强度，排除了工艺误差带来的干扰。该方法针对不同尺寸的测试样品，通过调整试验机中冲击质量块以及柔性长梁尺寸保证试验机能够产生高强度的冲击载荷。该方法在获取冲击断裂加速度时，通过记录实际断裂加载挠度，利用商业ansys软件建立力学模型，随后将容易记录的加载位移代入力学模型来获取难以测量的冲击加速度和产生的应力峰值。
柔性储能长梁，所述柔性储能长梁的两端固定，中间一侧由连接梁和v型放大杠杆相连；
设置在所述柔性储能长梁的中间另一侧的冲击质量块，用于向微结构施加冲击；
热驱执行器和v型放大杠杆，分为加载/卸载v型热驱执行器和v型放大杠杆，其中加载v型放大杠杆两端和加载v型热驱执行器相连，加载v型放大杠杆输出端和柔性储能梁相连，而卸载v型放大杠杆两端和卸载v型热驱执行器相连，卸载v型放大杠杆输出端和卸载刚性梁锤相连；
和锁定件，所述锁定件包括固定锁和可动扣；可动扣排布在与加载v型放大杠杆输出梁两侧，按要求间隔分布，通过加载热驱执行器与固定锁锁合；固定锁内侧内置卸载扣，卸载扣与卸载v型放大杠杆末端卸载锤相对，利用卸载热驱执行器打开锁扣。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，采用硅-玻璃键合体硅工艺，在同一光刻工艺中形成所述微结构、所述装置和功能器件的图案，其中所述功能器件包含有与微结构相同的结构，并且在同一刻蚀工艺中释放所述微结构、所述装置和所述功能器件的可动硅结构。
3.根据权利要求1中任一项所述的装置，其中，所述冲击质量块的尺寸设置为与所述微结构的尺寸大体一致。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述冲击质量块的一端呈圆弧状。
5.一种使用如权利要求1所述的装置在线测试微结构冲击强度的方法，包括步骤：(a)将所述微结构固定为面对所述冲击质量块；
(b)对热驱加载部分进行上电，通过控制热驱电流大小控制热驱加载挠度；
(c)利用热驱加载部分和放大杠杆将可动齿驱动至第一次和固定锁扣合；
(e)待加载热驱部分恢复至室温且系统稳定后，对热驱卸载部分上电，利用卸载热驱打开固定锁，释放冲击质量块；
(f)观察冲击质量块和测试样品冲击后情况，若冲击完成后样品完好无损则重复(a)-(e)步骤，其中加载位移不断提高，直到冲击样品破坏，记录此时的加载位移和冲击破坏挠度；
(g)将(f)步骤中获取的冲击破坏挠度代入所建立的力学模型中获取该挠度情况下冲击质量块和被测试样品撞击瞬间的冲击加速度和样品冲击瞬间产生的极大应力峰值，即为该测试样品的冲击载荷极限强度值。
一种新型热驱在线测试微结构冲击强度试验机及检测方法
技术领域
[0001] 本发明属于微电子机械系统(MEMS)加工工艺领域，设计了一种新型的专门检测微结构冲击强度的热驱片上试验机，在具有功能器件的硅片上添加含有试验机的检测区域，经过标准的SOG(silicon on glass)工艺制作功能器件和试验机，同时在试验机获得和器件功能相同工艺条件下制作的微结构测试样品，在整体工艺进程结束后，通过试验机对样品进行冲击强度测试即时在线地获取功能器件的工艺相关力学特性参数。
背景技术
[0002] 微电子机械系统(MEMS)是微电子技术发展和应用的一个重要方向。如今，微电子机械系统的各类传感器已经广泛应用在民用军用的方方面面，诸如压力计，加速度计和陀螺等都在消费电子和高精端应用中成为了不可缺少的部件。由于自身测试物理量的特点，这类传感器的工作环境中往往会碰到冲击性载荷，此时传感器结构的冲击强度就显得十分重要。传统的微电子机械系统传感器的冲击强度检测为落锤实验，这类实验方法需要传感器在制作工艺流程结束后进行裂片和封装，难以实现即时对器件的强度检测，从而极大增加整个设计流程和周期。同时该类传统的冲击检测方法具有大破坏性，传感器器芯片在经历过此类传统方法检测后将出现大面积结构破坏，无法找出结构中最为冲击薄弱地方。不仅如此，受限于加载产生的原理，传统的冲击检测方法很难获得高冲击峰值(大于100000g)和大冲击脉宽(s量级)的加载，然而在实际的军事应用环境下，此类严峻的冲击环境都十分常见。故传统的冲击检测方法具有明显的局限性。
[0003] 同时，对于一般的微结构(特征尺寸为微米至毫米量级)，微力微位移(毫牛毫米量级)就易造成较大破坏，故在实现新型片上试验机的时候，需要一种能排除人为偶然误差操作的新型全自动测试结构。
发明内容
[0004] 针对上述问题，本发明设计了一种新型的片上热驱冲击强度试验机，和功能器件一起流片制作获取测试样品结构。该新型热驱冲击试验机依靠自身的电阻梁发热进行能量加载和释放，能够实现上电后全自动的冲击强度测试。
[0005] 本发明的新型热驱片上冲击强度试验机主要包括：热驱加载部分，V型放大杠杆，负载储能弹簧，锯齿锁、扣，热驱卸载部分及撞击方形质量块。
附图说明
[0006] 图1为本发明新型热驱片上冲击强度试验机示意图；
[0007] 具体有1-测试样品，2-负载储能弹簧，3-V型放大杠杆，4-加载热驱执行器，5-锯齿扣，6-锯齿锁，7-释放锯齿锁扣，8-释放热驱执行器，9-释放V型放大杠杆，10-冲击质量块，11-固定锚点。
具体实施方式
[0008] 以下将参考附图，根据具体实施方式来说明本发明，熟悉本领域的技术人员可由以下实施例中所揭示的内容轻易地了解本发明的构造、优点与功效。
[0009] 本发明亦可藉由其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的构思和范围的情况下可以对各细节进行各种修改与变更。
[0010] 实施例1：
[0011] 本实施例中的新型热驱片上冲击强度检测试验机的设计、制作以及最后样品测试具体说明如下：
[0012] 1)根据测试样品设计新型热驱片上试验机各个组成部分尺寸：本实例中测试样品为宽度20微米，长度40微米的单齿结构。故片上试验机的冲击质量块取和被测样品相似尺寸，即长40微米，宽30微米的单边圆弧状方体。由冲击质量块尺寸确定柔性负载储能弹簧，对于一般冲击试验，冲击质量块要求冲击瞬间达到10m/s速度量级，结合动能公式、长梁弹性势能公式以及考虑自身器件和版图功能器件尺寸因素，本实例中柔性长梁尺寸为：长度2000微米，宽度15微米，厚度70微米，在加载挠度为50微米时，冲击块就可实现30m/s的冲击动能加载，如图1所示。根据柔性长梁尺寸及最大加载挠度，同时考虑功能器件尺寸和版图大小因素，可以确定热驱加载部分和V型放大杠杆尺寸，本实例中热驱加载部分尺寸为：长度1000微米，宽度10微米，厚度70微米，v型角度5°，组数20组；本实例中放大杠杆尺寸为：长度2000微米，宽度10微米，厚度70微米，v型角度5°；热驱加载执行器在经过放大杠杆后在
500℃输出可到达最大150毫牛力输出及最大240微米位移输出。根据自身测试需要设计锯齿锁、扣尺寸，本实例中锯齿间隔为20微米。根据柔性负载储能弹簧储能情况及锁扣力大小情况设计热驱卸载部分及放大杠杆，本实例中热驱卸载部分尺寸为长度1000微米，宽度10微米，厚度70微米，v型角度5°，组数10组；本实例中卸载放大杠杆尺寸为：长度1000微米，宽度10微米，厚度70微米，v型角度5°。整体试验机结构如图1所示。
[0013] 2)通过SOG标准体硅工艺制作功能器件、片上试验机和测试样品，三者应在同一微单元内，通过同一光刻定义结构图形，通过同一次刻蚀释放可动结构。
[0014] 3)工艺流程结束后，对新型片上热驱冲击强度试验机进行加电测试，其步骤包括：(a)对热驱加载部分进行上电，通过控制热驱电流大小控制热驱加载挠度。(b)利用热驱加载部分和放大杠杆将可动齿驱动至第一次和固定锁扣合。(c)对加载热驱部分进行下电处理。(d)待加载热驱部分恢复至室温且系统稳定后，对热驱卸载部分上电，利用卸载热驱打开固定锁，释放冲击质量块。(e)观察冲击质量块和测试样品冲击后情况，若冲击完成后样品完好无损则重复(a)-(d)步骤，其中加载位移不断提高，直到冲击样品破坏，记录此时的加载位移。本实例中破坏位置为第3个锁齿，即加载挠度为60微米。
[0015] 4)将3步骤中测试获取的冲击破坏挠度代入所建立的力学模型中，在ansys Is-dyna模块中进行冲击过程的仿真模拟，获取挠度为60微米情况下冲击质量块和被测试样品撞击瞬间的冲击加速度和样品冲击瞬间产生的极大应力峰值，即为该测试样品的冲击载荷极限强度值。本实例中该测试样品的冲击强度值为2.5Gpa。
