一种基于横卧T形梁的MEMS微梁应力梯度的各向异性测试结构和测量方法

摘要

本发明公开一种基于横卧T形梁的MEMS微梁应力梯度的各向异性测试结构和测量方法，包括衬底、正方柱、四个锚区以及四根横卧的T形悬臂梁。所述正方柱固定于衬底上表面的中央位置；所述横卧的T形梁由悬臂梁和梁末端一小截处的宽度宽于其它地方的翼缘构成，横卧T形梁的另一端固定连接在一个锚区的侧面；所述四根横卧的T形悬臂梁的上表面与正方柱的顶面处于同一平面，对称分布于正方柱的四周。当悬臂梁因应力梯度的存在而产生向上或向下的弯曲时，由四根横卧的T形悬臂梁的翼缘边所围成的正方图形将扩大，据此，可判断出结构层应力梯度的大小。本发明降低了对观测设备的要求，直观、方便。

说明书

技术领域

本发明涉及微机电系统(文中简称MEMS)中，通过MEMS微机械加工技术制造的 MEMS悬臂结构中应力梯度测试的技术领域。具体来说，涉及一种基于T形梁的MEMS 微梁应力梯度的各向异性测试结构和测量方法。

背景技术

MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems)结构中的应力主要来源于热应力、内应 力和外应力。各薄膜层因热膨胀系数的差异导致应力的产生为热应力；晶格失配、杂质 原子、晶界弛豫……等微观结构的变化所产生的应力为内应力(也称本征应力)；当材 料表面不是很致密，环境中一些极性分子会吸附在空隙上，吸附的极性分子之间的互作 用产生的应力为外应力。因此，在MEMS工艺过程中，不可避免地会产生残余应力， 当沿厚度方向应力分布非均匀即存在应力梯度时，悬臂梁结构或双端固定的固支梁结 构，在结构被释放后(腐蚀掉梁下层的支撑牺牲层，使梁悬置)，会出现离面弯曲或屈 曲，直接影响着器件的性能。因此，重视MEMS结构中应力梯度的测试和分析并反馈 之设计中，以保证设计和制造的MEMS器件具备良好的性能指标，是非常必要的。关 于应力梯度的测试，最常见的方法是借助于精密的光学设备，利用光学干涉技术而获知 梁因应力梯度造成的弯曲变形。但是，通过测试结构的专门设计，往往可以降低对测试 设备的要求，且便于直接从测量信号中读取材料的特性参数。

本发明提出一种基于横卧T形梁的MEMS微梁应力梯度的各向异性测试结构和测量 方法，将被测梁设计成T字形，让四根横卧T形梁的翼缘边在固定正方柱周围围成一未 封闭的正方图形。固定的正方柱提供参考位置，延宽的翼缘边扩大正方图像，水平和垂 直放置的T形梁为应力梯度的各向异性测量提供了可能。这样通过结构上的设计可以将 被测悬臂梁因应力梯度而产生的弯曲转变为图形大小或形状地变化，便于光学仪器的直 接观察，降低了对测试设备的要求，测试简单、方便。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于横卧T形梁的MEMS微梁应力梯度的各向异性测试结 构，通过显微镜放大和记录结构释放前后的图形变化，即可获取应力梯度的具体信息。 同时本发明还提供了基于横卧T形梁形变的MEMS微梁应力梯度的具体测试方法，操作 方便可行。

本发明采用的技术方案为：一种基于横卧T形梁的MEMS微梁应力梯度的各向异性 测试结构，包括衬底、正方柱、四个锚区以及四根被测横卧T形悬臂梁；

所述正方柱固定于衬底上表面的中央位置；

所述四根被测横卧T形悬臂梁的材料和尺寸完全相同，对称分布于正方柱的四周， 并悬置在衬底的上方；被测横卧T形悬臂梁的一端分别固定在各自锚区的侧面，另一端 在接近末端边缘的一小截处的宽度宽于其它地方形成T形梁的翼缘；

所述四根被测横卧T形悬臂梁的上表面与正方柱的顶面处于同一平面，且T形中的 翼缘边分别靠近并平行正方柱顶面的四条边，在正方柱外围围成一不完全封闭的正方图 形。

测试中，当悬臂梁因应力梯度的存在而产生向上或向下的弯曲时，由四根横卧T形 悬臂梁的翼缘边所围成的正方图形将扩大，对于各项异性材料，正方图形将扩大且变为 一不封闭的长方图形。据此，可利用图形的形状和大小的变化来判断应力梯度的大小， 与常用光学方法比较，降低了对观测设备的要求，直观、方便。

上述基于横卧T形梁形变的MEMS微梁应力梯度的测试结构，其测试应力梯度的具 体原理和步骤如下：

1)将释放工序前后的测试结构分别置于光学显微镜下观察，放大倍数根据被测结 构的尺寸而定，调节显微镜的焦距直至被测结构的图像清晰可见，分别记录被测结构释 放工序前后的俯视图像；

2)对比释放工序前后的两张图像，分析结构释放后，正方柱外围围成的不完全封 闭的正方图形是否发生变化；无变化表明被测悬臂梁不存在应力，否则有应力梯度的存 在；

如果被测横卧T形悬臂梁不存在应力梯度，那么T形梁结构释放后，T形梁在水平 面上的投影长度不变；那么，由四根T形梁围成的正方图形也保持不变；

如果被测横卧T形悬臂梁存在应力梯度，那么在T形梁被释放悬空后，悬臂梁会向 上翘起或向下弯曲，导致在水平面上的投影长度明显缩短，因而由四根横卧T形悬臂梁 的T字形横边所围成的正方图形将扩大；

3)对于发生变化的正方图形，测量各T形横边与正方柱对应边的间距变化量，从 而获知横卧T形悬臂梁弯曲程度，判断出结构层应力梯度的大小；

若变化后的图形仍为正方形，表明在同一水平面上相互垂直的两个方向上的横卧T 形悬臂梁的弯曲情况相同，应力梯度与方向基本无关；

若变化后的图形变为长方形，表明在同一水平面上相互垂直的两个方向上的横卧T 形悬臂梁弯曲情况有差异，应力梯度与方向有关，可分别测量和获取相互垂直的两个方 向的应力梯度。

有益效果：本发明将被测悬臂梁设计成水平横卧的T字形，并分布于正方柱的四周， 通过结构上的设计，将被测悬臂梁因应力梯度而产生的弯曲转变为可用光学显微仪器直 接观察到的平面图形的变化。尤其是对于各向异性材料所引起的应力梯度，也可以直接 通过平面图形大小和形状地变化来确定。与常用光学干涉方法相比，降低了对测试设备 的要求，为应力梯度的各向异性测试提供了一种简单、方便、准确的新途径。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

如图1所示，一种基于横卧T形梁的MEMS微梁应力梯度的各向异性测试结构，包 括衬底1、正方柱2、四个锚区31，32，33和34，以及四根被测横卧T形悬臂梁41， 42，43和44；

所述正方柱2固定于衬底1上表面的中央位置；

所述被测横卧T形悬臂梁41，42，43和44的一端分别固定在各自锚区31，32，33 和34的侧面，另一端在接近末端边缘的一小截处的宽度宽于其它地方形成T形梁的翼 缘；整个水平横卧的T形梁通过锚区悬置在衬底1的上方。

所述被测横卧T形悬臂梁41，42，43和44的材料和尺寸完全相同，对称分布于正 方柱2的四周，四根被测横卧T形悬臂梁的上表面与正方柱2的顶面处于同一平面，且 各翼缘边与正方柱顶面的四条边分别平行，在紧邻正方柱的外围围成一不完全封闭的正 方图形。

设计中，被测悬臂梁设计成水平横卧的T字形，通过适当加长翼缘的长度使由四根 T形梁末端围成的正方图形可以比较大，便于观察和测量图形的变化；在衬底中心处引 入一个固定不变的正方柱作为图形变化的参照物，使得图形变化的观察和测量更准确。

测试中，当被测横卧悬臂梁因应力梯度的存在而产生向上或向下的弯曲时，由四根 横卧T形悬臂梁翼缘所围成的不完全封闭的正方图形将扩大，对于各向异性材料，正方 图形扩大且变为一不封闭的长方图形。据此，可利用图形变化判断应力梯度的大小，与 常用光学方法比较，降低了对观测设备的要求，直观、方便。

该测量结构的制备可采用常规的MEMS体加工工艺或表面加工工艺。以表面加工 工艺为例，衬底1的材料可用单晶硅，牺牲层常采用磷硅玻璃(PSG)，正方柱2和锚 区的材料相同均为多晶硅，T形梁为多晶硅，T形梁结构的释放可采用湿法腐蚀方法去 除牺牲层，使梁结构悬空。

上述基于横卧T形梁形变的MEMS微梁应力梯度的测试结构，其测试应力梯度的具 体原理和步骤如下：

1)将释放工序前后的测试结构分别置于光学显微镜下观察，放大倍数根据被测结 构的尺寸而定，调节显微镜的焦距直至被测结构的图像清晰可见，分别记录被测结构释 放工序前后的俯视图像。

2)对比释放工序前后的两张图像，分析结构释放后，正方柱外围围成的不完全封 闭的正方图形是否发生变化。无变化表明被测悬臂梁不存在应力，否则有应力梯度的存 在。

如果被测横卧T形悬臂梁41、42、43和44不存在应力梯度，那么T形梁结构释放 后，T形梁在水平面上的投影长度不变。那么，由四根T形梁围成的正方图形也保持不 变。

如果被测横卧T形悬臂梁41、42、43和44存在应力梯度，那么在T形梁被释放悬 空后，悬臂梁会向上翘起或向下弯曲，导致在水平面上的投影长度明显缩短，因而由四 根横卧T形悬臂梁的T字形横边所围成的正方图形将扩大。

3)对于发生变化的正方图形，测量各T形横边与正方柱对应边的间距变化量，从 而获知横卧T形悬臂梁弯曲程度，判断出结构层应力梯度的大小。

若变化后的图形仍为正方形，表明在同一水平面上相互垂直的两个方向上的横卧T 形悬臂梁的弯曲情况相同，应力梯度与方向基本无关。

若变化后的图形变为长方形，表明在同一水平面上相互垂直的两个方向上的横卧T 形悬臂梁弯曲情况有差异，应力梯度与方向有关，可分别测量和获取相互垂直的两个方 向的应力梯度。

以上结合附图对本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施 方式。对本领域的普通技术人员而言，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实 施方式进行多种变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。