[发明专利]一种基于横向梳齿式电容的微梁断裂强度的测试结构

说明书

技术领域

本发明涉及一种微机电系统(MEMS)微梁断裂强度的测试领域，尤其是一种横向梳齿式电容检测微梁断裂强度的测试结构。

背景技术

MEMS利用微电子技术、微加工技术相结合的制造工艺制造微传感器、微执行器、微驱动器以及微系统。由不同的加工技术，如硅体微加工、硅表面微加工、LIGA技术、键合技术等加工而成的MEMS微结构其力学性能会有很大差别，即使是相同技术，但不同生产线加工的产品也会存在差异。因此，对于MEMES设计、加工和应用的可靠性而言，设计测试结构，提取相关力学参数是非常重要的。拉伸断裂强度是重要力学性能之一，常用的测量方法是通过电、热或磁驱动的方式对测试样品进行加载而拉伸被测样品，通过直接测量样品被拉断时的力以确定样品的断裂强度。捕获被测梁断裂瞬间时刻对应的驱动力和提高测量灵敏度是测试结构设计必须考虑的问题。为此，设计了一种基于横向式梳齿电容检测的微梁断裂强度的测试结构，很好地解决了测试难题，且测试方便、简单易行。

发明内容

技术问题：利用电容法捕获被测微梁断裂瞬间所对应的驱动力，直观、易于实现。但检测中的电容变化量决定了该方法的有效性和灵敏度。本发明利用横向梳齿式的差分电容来反映被测梁的拉伸量，有利于提高电容变化的检测量，因此相对于一般电容法检测灵敏度更高。

技术方案：本发明的一种基于横向梳齿式电容的微梁断裂强度的测试结构包括衬底、门字型热执行结构、被测微粱和横向梳齿电容检测结构，整个结构关于纵向中轴L完全对称；

所述门字型热执行结构的两根纵梁分别垂直连接于横宽梁的两末端，纵梁的另一端固定在下锚区侧面；

所述被测微梁与门字型热执行结构的两纵梁平行，位于它们正中间，一端垂直连接在横宽梁内侧的中部，另一端连接在锚区的一个侧面；

所述横向梳齿电容检测结构由位于门子型结构内的三组完全相同的梳齿结构依次排列在被测微梁锚区的后方，所有梳齿平行于横宽梁；每组梳齿结构左、右对称，均为左定齿和右定齿夹着一动齿，动齿与两侧的左定齿和右定齿的间距完全相同；其中，动齿的一端垂直连接在门字型热执行结构的纵梁内侧，另一端悬空，而左定齿或右定齿的一端连接在位于横宽梁的垂直中线上的第一锚区或第二锚区的侧面，另一端悬空；

所述下锚区、上锚区、第一锚区和第二锚区置于衬底上；

所述门字型热执行结构、被测微粱和横向梳齿电容检测结构均位于同一平面，平行悬置在衬底上方。

所述横宽梁、纵梁、被测悬臂梁、左定齿、右定齿、动齿均为掺杂单晶硅。

当热执行结构的纵梁通电发生热膨胀时，与纵梁相连的横宽梁以及动齿同步发生平移。横宽梁的移动可拉伸被测微梁直至断裂；动齿的横向平移使与两定齿的间距发生变化，导致动齿与两定齿构成的差分电容发生变化，且当拉伸作用使被测梁发生断裂的瞬间，电容会陡然增大。因此，通过测量差分电容的变化，由电容变化转折点可确定被测梁断裂时所对应的热执行器纵梁的拉伸长度，进而确定被测悬臂梁的断裂强度。

有益效果：本发明利用简单的热膨胀拉伸结构和梳齿结构相结合，通过MEMS差分电容的测试，实现微悬臂梁断裂强度的测试。测试结构简单、灵敏度高且易于操作。

附图说明

图1为本发明的结构示意图，

图2为衬底顶面的示意图。

其中有：衬底1，横宽梁201、纵梁202、下锚区203，被测悬臂梁301、上锚区302，左定齿401、第一锚区402、右定齿403、第二锚区404、动齿405。

具体实施方式

本发明的一种基于横向梳齿式电容的微梁断裂强度的测试结构，由门字型热执行结构、横向梳齿电容检测结构和被测微粱三部分组成，整个结构关于纵向中轴L完全对称。所述门字型热执行结构的两根纵梁与横宽梁垂直，一端连接在横宽梁的末端处，另一端连接在一个锚区的侧面；所述被测微梁平行于门字型热执行结构的两根纵梁，处于中轴线L上，一端连接在门字型热执行结构横宽梁内侧的中部，另一端连接在一个锚区的侧面；所述三组完全相同的梳齿结构位于门子型结构内，依次排列在被测微梁的后方，每组梳齿电容由左、右对称的两个梳齿单元组成，每个梳齿单元都为两定齿夹着一动齿，动齿与两定齿之间的间距相同。其中，动齿的一端垂直连接在热执行器的纵梁内侧，另一端悬空，而定齿的一端连接在位于横宽梁的垂直中线L上的锚区侧面，另一端悬空；门字型热执行结构、横向梳齿电容检测结构和被测微粱均位于同一平面，并平行于衬底且通过各自锚区的支撑悬置在衬底上方。

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。