专利名称：一种微悬臂梁接触力分布的测量结构及其方法
技术领域：
本发明涉及微电子机械系统制造、性能及其可靠性测试的技术领域，尤其涉及一 种MEMS (微机械系统)微悬臂梁在静电驱动下的接触力分布的测量结构及其方法。
背景技术：
微悬臂梁是许多MEMS器件的基本构件。外加载荷下，微悬臂梁的自由端与衬底相 接触的接触力分布特点是人们分析器件接触可靠性所关注的问题之一。例如，MEMS金属接 触式开关，接触力的大小直接影响开关的性能参数和长期使用的可靠性。同时，接触力分布 也是分析微悬臂梁结构粘附特性的重要依据。对于微悬臂梁结构，由于作用在下拉电极上 的力和接触力并不相同，静电下拉力的一部分用在梁的弯曲和锚区上，其余部分才作用在 接触区域。因此，对于静电驱动的微悬臂梁结构，接触力不仅与外加静电力有关，而且与微 悬臂梁结构的材料参数、结构参数也密切相关。对接触力的估计，目前常用的办法是应用机 械或机电软件包加以分析和预测，准确程度依赖于MEMS微悬臂梁的结构参数和材料参数 的取值。对于不同的加工工艺和加工条件，MEMS微悬臂梁的残余应力和应力梯度不同，结 构参数也会不同，情况较为复杂。因此，通过设计测量结构进行实测，直接获取接触力的相 关信息，显得更为方便和准确。

发明内容
发明目的为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种微悬臂梁接触力分 布的测量结构及其方法，用于测量MEMS微悬臂梁结构在静电驱动下其自由端与衬底间的 接触力分布情况。该测量结构简单，操作方便，并且能够实现在线测量。技术方案为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种微悬臂梁接触力分布的测量结构，包括衬底和金属或多晶硅悬臂粱，所述衬 底上设有悬臂梁锚区、与测量结构相对应的用于静电激励的下拉电极和对应于悬臂粱的衬 底接触电极，所述悬臂粱通过悬臂梁锚区固定在衬底上方，所述衬底接触电极由两条以上 并行排列的窄条电极构成，所述窄条电极的两个末端分别连接有压焊块，所述窄条电极中 间断开分成窄条电极对，各窄条电极之间无连接。本发明同时提供了一种基于本发明提供的微悬臂梁接触力分布的测量结构的测 量方法，所述测量方法如下1)在所述悬臂梁和下拉电极之间施加电压，在下拉电极的静电激励下，悬臂梁的 自由端向下弯曲并和与之相应的衬底接触电极接触，使得相应的断开的窄条电极对接通；2)依次测量各接通的窄条电极对的接触电阻；3)根据测得的接触电阻分析悬臂粱的接触力分布，悬臂粱与衬底接触电极间的接 触力越大，其接触就越紧密，则相应的接触电阻就越小。对下拉电极施加不同的下拉电压下，依次测量各窄条电极对的接触电阻，并进行 比较，分析计算在不同下拉电压下悬臂梁与衬底接触电极相接触时其接触力在接触区域的相对分布情况。有益效果本发明提供的一种微悬臂梁接触力分布的测量结构，基于MEMS加工技 术，制作工艺无特殊要求，与一般MEMS器件工艺兼容，测量方法简单易行，测量精度较高， 所施加和检测的都是电学量，可以实现在线测量，为静电驱动的MEMS微悬臂梁结构的接触 力分布提供了一种实测途径。


图1为本发明的结构示意图；图2为本发明结构的衬底示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作更进一步的说明。如图1所示是一种微悬臂梁接触力分布的测量结构，该测量结构由硅微机械加工 工艺实现，主要包括如图2所示的衬底1和金属悬臂粱3，所述衬底1上设有悬臂梁锚区2、 与测量结构相对应的用于静电激励的下拉电极4和对应于悬臂粱3的衬底接触电极，所述 悬臂粱3通过悬臂梁锚区2固定在衬底1上方，所述衬底接触电极由七条并行排列的窄条 电极构成，所述窄条电极的两个末端分别连接有压焊块，分别为压焊块50 56和压焊块 60 66，所述窄条电极中间断开分成窄条电极对，各窄条电极之间以及压焊块之间均无连 接。所述悬臂梁3的长X宽X厚为400 μ mX 150 μ mX 4 μ m，悬臂梁3与衬底1的间隙为 3 μ m,下拉电极4极宽度为150 μ m,这里金属悬臂粱3、下拉电极4及窄条电极均采用金材 料。测量时，在下拉电极4的静电激励下，悬臂梁3的自由端向下弯曲并与衬底接触电 极接触，使相应的断开窄条电极接通，依次测量压焊块50与60、51与61、52与62、53与63、 54与64、55与65、56与66之间的接触电压，即可获取相应的接触力分布信息。具体测量时的步骤如下1)在悬臂梁3与下拉电极4之间施加IOV直流电压，在下拉电极4的静电激励下， 悬臂梁3的自由端向下弯曲，逐渐增加下拉电极4上的电压，直至悬臂梁3的自由端与衬底 接触电极接触。2)依次测量各接通的窄条电极对的接触电阻，即依次测量压焊块50与60、51与 61,52与62、53与63、54与64、55与65、56与66之间的接触电阻。3)根据测量所得的接触电阻值分析若窄条电极对的接触电阻值大于ΜΩ量级， 则说明悬臂粱3未与相应的窄条电极接触；若窄条电极对的接触电阻值在ΚΩ量级，则说明 悬臂梁3与相应的窄条电极略有接触；若窄条电极对的接触电阻稳定在Ω量级，则说明悬 臂梁3与相应的窄条电极紧密接触。对于不同材料，窄条电极对的接触电阻所处的量级有 所不同。4)逐渐加大悬臂梁3与下拉电极4之间的电压，并测量在不同下拉电压下，各窄条 电极对的接触电阻。各窄条电极对的接触电阻值反映了对应位置悬臂梁与衬底接触的紧密程度，进而反映了对应位置接触力的大小。因此，通过测量和比较整个电压加载过程中各窄条电极对的接触电阻大小，可得到各下拉电压下悬臂梁与衬底接触时，接触力在接触区域的相对分 布情况。 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
一种微悬臂梁接触力分布的测量结构，其特征在于所述测量结构包括衬底(1)和金属或多晶硅悬臂粱(3)，所述衬底(1)上设有悬臂梁锚区(2)、与测量结构相对应的用于静电激励的下拉电极(4)和对应于悬臂粱(3)的衬底接触电极，所述悬臂粱(3)通过悬臂梁锚区(2)固定在衬底(1)上方，所述衬底接触电极由两条以上并行排列的窄条电极构成，所述窄条电极的两个末端分别连接有压焊块，所述窄条电极中间断开分成窄条电极对。
2.一种如权利要求1所述的微悬臂梁接触力分布的测量结构的测量方法，其特征在于 所述测量方法如下1)在所述悬臂梁⑶和下拉电极⑷之间施加电压，在静电力作用下，悬臂梁⑶的自 由端向下弯曲并和与之相应的衬底接触电极接触，使得相应的断开的窄条电极对接通；2)依次测量各接通的窄条电极对的接触电阻；3)根据测得的接触电阻分析悬臂粱(3)的接触力分布，悬臂粱(3)与衬底接触电极间 的接触力越大，则相应的接触电阻就越小。
全文摘要
本发明公开了一种微悬臂梁接触力分布的测量结构及其方法，所述测量结构包括衬底和金属或多晶硅悬臂粱，所述衬底上设有悬臂梁锚区、与测量结构相对应的用于静电激励的下拉电极和对应与悬臂粱的衬底接触电极，所述悬臂粱通过悬臂梁锚区固定在衬底上方，所述衬底接触电极由两条以上并行排列的窄条电极构成，所述窄条电极的两个末端分别连接有压焊块，所述窄条电极中间断开分成窄条电极对。测量时，在下拉电极的静电激励下，悬臂梁与衬底接触电极接触，使相应的断开的窄条电极对接通，悬臂梁与衬底电极间的接触力越大，它们之间接触的就越紧密，相应的接触电阻就越小。本发明提供的测量结构简单，测量方法容易并且能够实现在线测量。
文档编号G01L1/18GK101839779SQ20101015338
公开日2010年9月22日 申请日期2010年4月21日 优先权日2010年4月21日
发明者唐洁影, 袁洁 申请人:东南大学