专利名称：微机械系统中固支梁疲劳特性的电阻测量结构及测量方法
技术领域：
本发明涉及微机械系统(文中简称MEMS)制造、性能及其可靠性测试的领域，具体来说，涉及一种微机械系统中固支梁疲劳特性的电阻测量结构及测量方法。
背景技术：
MEMS器件，如加速度计、RF开关、压力传感器中的一些可动结构，在工作过程中会以伸缩、振动弯曲等形式产生交变应力，使材料中产生微裂纹，随着循环次数的增加，微裂纹将扩展致使器件疲劳断裂。研究MEMS结构的疲劳特性，了解器件性能的衰减过程，对于高性能MEMS器件的可靠性设计十分重要。MEMS结构的疲劳特性，一般通过加载循环载荷,实测应力-循环次数曲线来反映。也可以通过测量循环载荷下机械结构谐振频率或者吸合(pulΙ-1n)电压的变化来反映结构的损伤及裂纹传播。前者主要反映结构的疲劳寿命，而后者能够反映因疲劳引起微结构性能衰变的过程。但是微结构尺寸小，谐振频率高。因此谐振频率的测试需要借助于复杂的电路系统或成本较高的多普勒测振设备等。此外，电压到达吸合电压附近时，梁突然吸合，因此精确捕获吸合电压值很困难。本发明通过设计测试结构和测试方法，利用简单的电阻测量来获取固支梁结构性能衰变的过程，方便易行。

发明内容
技术问题本发明所要解决的技术问题是，提供一种微机械系统中固支梁疲劳特性的电阻测量结构，利用该电阻测量结构能够获取固支梁的性能因疲劳而衰变的信息，同时本发明还提供该电阻测量结构的测量方法，该方法方便易行，结果可靠。技术方案为实现解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是一种微机械系统中固支梁疲劳特性的电阻测量结构，所述的测量结构包括衬底、固支梁、第一锚区、第二锚区、第一驱动电极、第二驱动电极和窄条电极组，窄条电极组由至少三条两端连接压焊块的窄条电极组成；各窄条电极的中部断开，形成窄条电极对；第一锚区、第二锚区、第一驱动电极、第二驱动电极和窄条电极组固定连接在衬底的顶面，固支梁的两端固定连接在第一锚区和第二锚区上，且固支梁处于悬空状态；第一驱动电极、第二驱动电极和窄条电极组位于固支梁的下方，且各窄条电极的中部均位于固支梁的正下方；第一驱动电极和第二驱动电极分布在窄条电极组的两侧，且相互对称。上述的微机械系统中固支梁疲劳特性的电阻测量结构的测量方法，所述的测量方法包括以下步骤步骤I)对固支梁和第一驱动电极之间，以及固支梁和第二驱动电极之间同时施加下拉电压，在静电力作用下，固支梁向下弯曲，直至固支梁的中部与衬底接触，相应的中部断开的窄条电极对被接通；通过测量各窄条电极对的电阻，可判断窄条电极对接通与否；步骤2)对固支梁和第一驱动电极之间，以及固支梁和第二驱动电极之间同时施加交变电压，实现固支梁的循环往复振动，经过一定循环周期，固支梁的刚度因疲劳而发生变化；步骤3)重复步骤I )，判断窄条电极对的接通数量；步骤4)重复步骤2)，每间隔一定载荷循环次数，通过重复步骤1)，测量一次窄条电极对的接通情况，窄条电极对接通数量的变化，反映了固支梁疲劳特性的渐变状况。有益效果与现有技术相比，本发明的技术方案可以准确测量固支梁的疲劳特性。本发明的电阻测量结构，在固支梁和第一驱动电极之间，以及固支梁和第二驱动电极之间施加下拉电压，固支梁在静电力作用下，向下弯曲至中间部分与衬底接触，相应的断开的窄条电极对接通。通过测量各窄条电极对间的电阻值，判断窄条电极对接通与否。然后，在固支梁与驱动电极间施加交变电压，实现固支梁的循环往复振动。当固支梁因反复振动而出现疲劳时，刚度会发生变化。这时，与初始情况施加相同静电激励，固支梁与衬底接触的区域会发生变化，相应的窄条电极对的接通数量变化。因此，测量中每间隔一定载荷循环次数，测量一次窄条电极对的接通情况，根据窄条电极对接通数量的变化，了解固支梁疲劳特性的渐变状况。该测量方法基于电阻测量，且接通与断开两种状态下的电阻值相差极大，易于测量，可靠性高，且避免了现有疲劳测试方法对测量仪器精度有一定要求的问题。


图1为本发明的结构示意图。图2为本发明中省去固支梁后的结构示意图。图中有衬底I、固支梁2、第一锚区31、第二锚区32、第一驱动电极41、第二驱动电极42、压焊块51 — 57、压焊块61—67。
具体实施例方式下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。如图1和图2所示，本发明的一种微机械系统中固支梁疲劳特性的电阻测量结构，由微机械加工工艺实现。该电阻测量结构包括衬底I、固支梁2、第一锚区31、第二锚区32、第一驱动电极41、第二驱动电极42和窄条电极组。窄条电极组用于判断固支梁2与衬底I的接触状况。窄条电极组由至少三条两端连接压焊块的窄条电极组成。各窄条电极的中部断开，形成窄条电极对。第一锚区31、第二锚区32、第一驱动电极41、第二驱动电极42和窄条电极组固定连接在衬底I的顶面。固支梁2的两端固定连接在第一锚区31和第二锚区32上，且固支梁2处于悬空状态。固支梁2可以和第一锚区31及第二锚区32做成整体式结构。第一驱动电极41、第二驱动电极42和窄条电极组位于固支梁2的下方，且各窄条电极的中部均位于固支梁2的正下方。第一驱动电极41和第二驱动电极42分布在窄条电极组的两侧，且相互对称。作为优选，窄条电极组位于固支梁2中部下方，第一驱动电极41和第二驱动电极42到固支梁2中心点的距离相等。这样可以提高测量的准确性。如图1所示，窄条电极组由7个窄条电极组成。如图2所示，7个窄条电极的中部均断开，形成7个窄条电极对。各窄条电极对的末端连接有压焊块51 — 57和压焊块61—67。图示只是举例，窄条电极的对数不限于图示中的7对。该电阻测量结构中的衬底I用单晶硅，固支梁2可以是硅材料、多晶硅材料、或者金属材料。固支梁2、第一驱动电极41、第二驱动电极42和窄条电极组都可用金属Au材料制成。各窄条电极的宽度和间隙尺寸由测量精度和工艺线的加工精度决定，宽度和间隙的尺寸优选小于5 μ m。 本发明提供的电阻检测结构的加工工艺与MEMS器件中的微结构完全兼容，可以作为陪片一同加工。上述的微机械系统中固支梁疲劳特性的电阻测量结构的测量方法，具体包括以下步骤I)在固支梁2与第一驱动电极41之间，以及固支梁2与第二驱动电极42之间，同时施加大小相等的下拉电压，在静电力作用下，固支梁2向下弯曲。2)逐渐加大下拉电压，一旦测量到压焊块51和压焊块61之间的电阻由ΜΩ量级下降到ΚΩ，表明固支梁2弯曲至与衬底I接触，接通了对应的窄条电极对。此时，保持下拉电压V。大小不变，并测量连接在各窄条电极对末端的压焊块之间的电阻，即压焊块51和61之间，压焊块52和62之间，压焊块53和63之间，压焊块54和64之间，压焊块55和65之间，压焊块56和66之间，压焊块57和67之间的电阻。根据测量得到的这些电阻分析若窄条电极对的接触电阻值大于ΜΩ量级，则说明固支梁2未与相应的窄条电极对接触；若窄条电极对的接触电阻值在ΚΩ量级，则说明固支梁2与相应的窄条电极对略有接触；若窄条电极对的接触电阻值稳定在Ω量级，则说明固支梁2与相应的窄条电极对紧密接触。上述电阻分析是针对金属材料制成的窄条电极对。对于不同材料，窄条电极对的接触电阻所处量级有所不同。从这些电阻分析可以了解固支梁2的弯曲程度。3)释放下拉电压，固支梁2重新弹起离开衬底I。上述I) 3)过程称为测量过程，下拉电压V。为测量电压。4)在固支梁2与第一驱动电极41之间，以及固支梁2与与第二驱动电极42之间同步施加交变电压，实现固支梁2的循环往复振动，经过一定循环周期，固支梁的刚度可能因疲劳而发生变化。为了加速固支梁2的疲劳，所施加交变电压的频率可以与固支梁2的本征频率相同，固支梁2的振幅因谐振达到最大。5 )撤掉交变电压，固支梁2停止振动。以上4)和5)过程为疲劳载荷的加载过程。6)接着又进入测量过程，在测量电压V。作用下，测量各窄条电极对末端的压焊块之间的电阻值，了解窄条电极对的接通情况。7)重复2)至6)，加载和测量过程交替进行。由窄条电极对接通数量的变化，反映了固支梁疲劳特性的渐变状况。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。
权利要求
1.一种微机械系统中固支梁疲劳特性的电阻测量结构，其特征在于所述的测量结构包括衬底(I)、固支梁(2)、第一锚区(31)、第二锚区(32)、第一驱动电极(41)、第二驱动电极(42)和窄条电极组，窄条电极组由至少三条两端连接压焊块的窄条电极组成；各窄条电极的中部断开，形成窄条电极对；第一锚区(31)、第二锚区(32)、第一驱动电极(41)、第二驱动电极(42)和窄条电极组固定连接在衬底(I)的顶面，固支梁(2)的两端固定连接在第一锚区(31)和第二锚区(32)上，且固支梁(2)处于悬空状态；第一驱动电极(41)、第二驱动电极(42)和窄条电极组位于固支梁(2)的下方，且各窄条电极的中部均位于固支梁(2)的正下方；第一驱动电极(41)和第二驱动电极(42)分布在窄条电极组的两侧，且相互对称。
2.按照权利要求I所述的微机械系统中固支梁疲劳特性的电阻测量结构，其特征在于所述的窄条电极组位于固支梁(2)中部下方，第一驱动电极(41)和第二驱动电极(42)到固支梁(2)中心点的距离相等。
3.—种如权利要求I所述的微机械系统中固支梁疲劳特性的电阻测量结构的测量方法，其特征在于所述的测量方法包括以下步骤 步骤I)对固支梁(2)和第一驱动电极(41)之间，以及固支梁(2)和第二驱动电极(42)之间同时施加下拉电压，在静电力作用下，固支梁(2)向下弯曲，直至固支梁(2)的中部与衬底(I)接触，相应的中部断开的窄条电极对被接通；通过测量各窄条电极对的电阻，可判断窄条电极对接通与否； 步骤2)对固支梁(2)和第一驱动电极(41)之间，以及固支梁(2)和第二驱动电极(42)之间同时施加交变电压，实现固支梁(2)的循环往复振动，经过一定循环周期，固支梁(2)的刚度因疲劳而发生变化； 步骤3)重复步骤1)，判断窄条电极对的接通数量； 步骤4)重复步骤2)，每间隔一定载荷循环次数，通过重复步骤I )，测量一次窄条电极对的接通情况，窄条电极对接通数量的变化，反映了固支梁(2)疲劳特性的渐变状况。
全文摘要
本发明公开了一种微机械系统中固支梁疲劳特性的电阻测量结构，包括衬底、固支梁、第一锚区、第二锚区、第一驱动电极、第二驱动电极和窄条电极组，窄条电极组由至少三条两端连接压焊块的窄条电极组成；各窄条电极的中部断开，形成窄条电极对；固支梁的两端固定连接在第一锚区和第二锚区上；第一驱动电极、第二驱动电极和窄条电极组位于固支梁的下方，且各窄条电极的中部均位于固支梁的正下方；第一驱动电极和第二驱动电极分布在窄条电极组的两侧，且相互对称。利用该电阻测量结构能够获取固支梁的性能因疲劳而衰变的信息。本发明还公开了一种该电阻测量结构的测量方法，该方法方便易行，结果可靠。
文档编号G01N3/38GK102980818SQ20121051590
公开日2013年3月20日 申请日期2012年12月5日 优先权日2012年12月5日
发明者唐洁影, 陈洁 申请人:东南大学