[发明专利]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

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-Mechanical Systems)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横卧T形梁的翼缘；

所述四根被测横卧T形梁的上表面与正方柱的顶面处于同一平面，且横卧T形梁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，当横卧T形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；无变化表明被测横卧T形梁不存在应力，否则有应力梯度的存在；

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

如果被测横卧T形梁存在应力梯度，那么在横卧T形梁被释放悬空后，横卧T形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形梁的T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，测量各横卧T形梁横边与正方柱对应边的间距变化量，从而获知横卧T形梁弯曲程度，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形梁的弯曲情况相同，应力梯度与方向基本无关；