基于数据采集的MEMS薄膜材料参数在线测试系统

　　随着MEMS 加工工艺地不断成熟与发展, 微机械加工技术已经越来越多地应用在传感器和执行器的制造过程中. MEMS 器件的性能除了受设计与工艺加工影响外, 还对材料参数非常敏感. MEMS 器件与普通微电子器件的一个重要的差别在于:MEMS 器件可能存在可运动部分, 也就是说, 有一些MEMS 器件的工作是通过运动来完成的. 例如,MEMS 谐振器, 它的核心是一个做振荡运动的部件, 当外部激励频率达到谐振器的本振频率后, 谐振器产生最大运动幅度的振荡. 该振荡频率以及振荡幅度除了和尺寸参数有关外, 还和制造器件的材料参数有关. 又如, 以悬臂梁结构为核心制做的MEMS 开关, 当结构被释放后, 由于残余应力的作用, 悬臂梁可能会发生上翘或下弯, 即偏离了设计者希望保持的水平态, 这将导致开关阈值发生变化. 由于MEMS 运动性能对材料及参数特别敏感, 因此设计者必须了解实际的材料参数. 所谓实际的材料参数正是设计问题的难点, 因为材料参数不但和材料的属性有关, 还和材料在加工过程中所受到的处理有关, 如果加工过程温度不同, 温度变化的快慢不同, 都会导致材料参数的差异. 正是因为MEMS 器件的性能对材料参数非常敏感, 所以, 对MEMS 材料参数的测试十分重要, 尤其是这些参数的在线测试. 例如, 我们经常需要知道实际的薄膜残余应力、杨氏模量、薄膜的热扩散率等表面微机械结构加工的薄膜材料参数. 因为它们和加工工艺及工艺过程有关, 所以, 如何在工艺线环境下进行在线的跟踪测试就成为一个具有实际价值的技术.

　　1 在线测试系统组成

　　在线测试系统由三个主要部分组成: 测试图形;测试信号生成、处理电路及外围附件; 专用软件.测试图形是一组专门设计的硅结构组芯片, 它由一组不同结构和形状的测试图样组成. 该结构随MEMS 器件的工艺加工被同步加工, 目的是能够实时跟踪工艺, 反映材料参数的真实情况.

　　测试信号生成、处理电路及外围附件是用于产生所需要的电压、电流以及读取测试图形产生的测试响应的硬件. 处理电路包括测试输入输出信号放大、衰减电路, 外围附件包括探针台, 计算机及内置数据采集卡.

　　专用软件包括两个主要部分: 测试信号控制软件, 材料参数提取、计算分析软件.

　　测试系统的基本工作原理是通过对MEMS 器件材料参数测试结构施加一定性质与幅度的电压或电流, 迫使测试结构产生相应的动作, 如位移、振动、发热、膨胀等, 同时发生电参量的变化, 如电流、电压等, 通过分析这些参量的变化, 代入数学模型或其他类型的模型, 通过开发的专门软件将所需要掌握的材料参数提取获得, 如MEMS 材料的杨氏模量、残余应力、断裂强度、热膨胀率、热导率, 热扩散率等等. 测试系统工作流程如图1 所示: