一種基于橫臥t形梁的mems微梁應力梯度的各向異性測試結構和測量方法
【技術領域】
[0001 ]本發明涉及微機電系統(文中簡稱MEMS)中，通過MEMS微機械加工技術制造的MEMS懸臂結構中應力梯度測試的技術領域。具體來說，涉及一種基于T形梁的MEMS微梁應力梯度的各向異性測試結構和測量方法。
【背景技術】
[0002]MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)結構中的應力主要來源于熱應力、內應力和外應力。各薄膜層因熱膨脹系數的差異導致應力的產生為熱應力；晶格失配、雜質原子、晶界弛豫……等微觀結構的變化所產生的應力為內應力(也稱本征應力)；當材料表面不是很致密，環境中一些極性分子會吸附在空隙上，吸附的極性分子之間的互作用產生的應力為外應力。因此，在MEMS工藝過程中，不可避免地會產生殘余應力，當沿厚度方向應力分布非均勻即存在應力梯度時，懸臂梁結構或雙端固定的固支梁結構，在結構被釋放后(腐蝕掉梁下層的支撐犧牲層，使梁懸置)，會出現離面彎曲或屈曲，直接影響著器件的性能。因此，重視MEMS結構中應力梯度的測試和分析并反饋之設計中，以保證設計和制造的MEMS器件具備良好的性能指標，是非常必要的。關于應力梯度的測試，最常見的方法是借助于精密的光學設備，利用光學干涉技術而獲知梁因應力梯度造成的彎曲變形。但是，通過測試結構的專門設計，往往可以降低對測試設備的要求，且便于直接從測量信號中讀取材料的特性參數。
[0003]本發明提出一種基于橫臥T形梁的MEMS微梁應力梯度的各向異性測試結構和測量方法，將被測梁設計成T字形，讓四根橫臥T形梁的翼緣邊在固定正方柱周圍圍成一未封閉的正方圖形。固定的正方柱提供參考位置，延寬的翼緣邊擴大正方圖像，水平和垂直放置的T形梁為應力梯度的各向異性測量提供了可能。這樣通過結構上的設計可以將被測懸臂梁因應力梯度而產生的彎曲轉變為圖形大小或形狀地變化，便于光學儀器的直接觀察，降低了對測試設備的要求，測試簡單、方便。

【發明內容】

[0004]本發明的目的是提供一種基于橫臥T形梁的MEMS微梁應力梯度的各向異性測試結構，通過顯微鏡放大和記錄結構釋放前后的圖形變化，即可獲取應力梯度的具體信息。同時本發明還提供了基于橫臥T形梁形變的MEMS微梁應力梯度的具體測試方法，操作方便可行。
[0005]本發明采用的技術方案為:一種基于橫臥T形梁的MEMS微梁應力梯度的各向異性測試結構，包括襯底、正方柱、四個錨區以及四根被測橫臥T形懸臂梁；
[0006]所述正方柱固定于襯底上表面的中央位置；
[0007]所述四根被測橫臥T形懸臂梁的材料和尺寸完全相同，對稱分布于正方柱的四周，并懸置在襯底的上方;被測橫臥T形懸臂梁的一端分別固定在各自錨區的側面，另一端在接近末端邊緣的一小截處的寬度寬于其它地方形成T形梁的翼緣；
[0008]所述四根被測橫臥T形懸臂梁的上表面與正方柱的頂面處于同一平面，且T形中的翼緣邊分別靠近并平行正方柱頂面的四條邊，在正方柱外圍圍成一不完全封閉的正方圖形。
[0009]測試中，當懸臂梁因應力梯度的存在而產生向上或向下的彎曲時，由四根橫臥T形懸臂梁的翼緣邊所圍成的正方圖形將擴大，對于各項異性材料，正方圖形將擴大且變為一不封閉的長方圖形。據此，可利用圖形的形狀和大小的變化來判斷應力梯度的大小，與常用光學方法比較，降低了對觀測設備的要求，直觀、方便。
[0010]上述基于橫臥T形梁形變的MEMS微梁應力梯度的測試結構，其測試應力梯度的具體原理和步驟如下:
[0011]I)將釋放工序前后的測試結構分別置于光學顯微鏡下觀察，放大倍數根據被測結構的尺寸而定，調節顯微鏡的焦距直至被測結構的圖像清晰可見，分別記錄被測結構釋放工序如后的俯視圖像；
[0012]2)對比釋放工序前后的兩張圖像，分析結構釋放后，正方柱外圍圍成的不完全封閉的正方圖形是否發生變化;無變化表明被測懸臂梁不存在應力，否則有應力梯度的存在；
[0013]如果被測橫臥T形懸臂梁不存在應力梯度，那么T形梁結構釋放后，T形梁在水平面上的投影長度不變;那么，由四根T形梁圍成的正方圖形也保持不變；
[0014]如果被測橫臥T形懸臂梁存在應力梯度，那么在T形梁被釋放懸空后，懸臂梁會向上翹起或向下彎曲，導致在水平面上的投影長度明顯縮短，因而由四根橫臥T形懸臂梁的T字形橫邊所圍成的正方圖形將擴大；
[0015]3)對于發生變化的正方圖形，測量各T形橫邊與正方柱對應邊的間距變化量，從而獲知橫臥T形懸臂梁彎曲程度，判斷出結構層應力梯度的大小；
[0016]若變化后的圖形仍為正方形，表明在同一水平面上相互垂直的兩個方向上的橫臥T形懸臂梁的彎曲情況相同，應力梯度與方向基本無關；
[0017]若變化后的圖形變為長方形，表明在同一水平面上相互垂直的兩個方向上的橫臥T形懸臂梁彎曲情況有差異，應力梯度與方向有關，可分別測量和獲取相互垂直的兩個方向的應力梯度。
[0018]有益效果:本發明將被測懸臂梁設計成水平橫臥的T字形，并分布于正方柱的四周，通過結構上的設計，將被測懸臂梁因應力梯度而產生的彎曲轉變為可用光學顯微儀器直接觀察到的平面圖形的變化。尤其是對于各向異性材料所引起的應力梯度，也可以直接通過平面圖形大小和形狀地變化來確定。與常用光學干涉方法相比，降低了對測試設備的要求，為應力梯度的各向異性測試提供了一種簡單、方便、準確的新途徑。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發明的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0020]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步的說明。
[0021]如圖1所示，一種基于橫臥T形梁的MEMS微梁應力梯度的各向異性測試結構，包括襯底1、正方柱2、四個錨區31，32，33和34，以及四根被測橫臥T形懸臂梁41，42，43和44 ；
[0022]所述正方柱2固定于襯底I上表面的中央位置；
[0023]所述被測橫臥T形懸臂梁41，42，43和44的一端分別固定在各自錨區31，32，33和34的側面，另一端在接近末端邊緣的一小截處的寬度寬于其它地方形成T形梁的翼緣;整個水平橫臥的T形梁通過錨區懸