原位片上微梁冲击压缩失稳在线测试系统及其制造方法

本发明涉及微电子机械系统（mems）加工，具体公开了一种原位片上微梁冲击压缩失稳在线检测系统及其制造方法。

背景技术：

1、微机电系统（mems）广泛应用于惯性传感、航空航天、汽车电子、生物医疗及精密测量等领域，其中微梁结构常作为敏感、支撑或传力单元。此类结构多采用单晶硅等脆性材料制备，尺寸处于微米量级，在冲击、跌落或高加速度环境下，容易因惯性载荷产生瞬态动态应力。对于轴向或近轴向受压的微梁，动态载荷达到临界值后可能先发生屈曲失稳，继而引起断裂或器件功能失效。因此，提取微梁在冲击压缩条件下的临界失稳载荷、变形过程及失效模式，对mems器件可靠性设计和工艺优化具有重要意义。

2、现有mems抗冲击性能评价通常采用冲击台、跌落台、振动台或器件级加速度加载等方法。上述方法能够模拟宏观冲击环境，但测试结果多依赖电学输出变化或试验后的失效形貌，难以直接、实时获取单根微梁的局部变形、载荷传递过程和临界屈曲状态。纳米压痕仪虽可测量微纳结构压缩力学性能，但其加载速率和边界条件与实际冲击环境存在差异，并普遍存在加载对准困难、试样制备复杂、测试效率低及与片上工艺兼容性不足等问题。

3、故需要提供一种原位片上微梁冲击压缩失稳在线测试系统及其制造方法，以实现冲击加载、结构变形读取和临界失稳识别，提高测试的准确性、实时性和工艺适用性。基于该方法，可进一步开展微梁在冲击压缩加载条件下的屈曲失稳行为与破坏机制研究，为mems器件的结构设计优化、制造工艺评价与抗冲击可靠性评估提供理论依据与实验支撑。

技术实现思路

1、针对上述技术问题，本发明提出一种原位片上微梁冲击压缩失稳在线测试系统及其制造方法，利用该系统测试微梁屈曲失稳应力。

2、本发明具体采用如下技术方案，以解决上述技术问题。

3、一种原位片上微梁冲击压缩失稳在线测试系统，包括片上冲击压缩试验机和用于对片上冲击压缩试验机施加驱动力的探针台；片上冲击压缩试验机包括被测结构、冲击锤头、冲击质量块、连接结构、挡板、保险丝、连接杆、两个弹性储能折叠梁、两个支撑折叠梁、探针加载结构、第一锚点、第二锚点、第三锚点和第四锚点；被测结构的一端固定连接于第一锚点，另一端朝向冲击锤头；冲击锤头位于冲击质量块靠近被测结构的一侧并与冲击质量块连接，用于与被测结构发生接触并向被测结构施加瞬态冲击压缩载荷；连接结构的一端与冲击质量块连接，另一端与挡板连接；两个弹性储能折叠梁分别位于连接结构的两侧，其一端与连接结构连接，另一端固定于第二锚点上；保险丝位于挡板与连接杆之间，使弹性储能折叠梁能够在预加载阶段积累足够的弹性变形能；两个第三锚点分别位于连接杆的两侧；两个支撑折叠梁分别位于探针加载结构的两侧，其一端与探针加载结构相连接，另一端固定于第四锚点上，用于对探针加载结构进行弹性支撑和运动导向。

4、上述原位片上微梁冲击压缩失稳在线测试系统中，除锚点以外，其余部分均为可动结构。

5、进一步地，上述系统包含一个第一锚点，四个第二锚点，两个第三锚点和两个第四锚点。

6、进一步地，所述探针台的探针在探针加载结构的加载口处施加拉力直至挡板接触到第三锚点，继续施加载荷直至保险丝发生断裂，使冲击质量块在弹性储能折叠梁的回复力作用下加速运动，并带动冲击锤头对被测结构施加冲击压缩载荷。

7、一种原位片上微梁冲击压缩失稳在线测试方法，采用上述原位片上微梁冲击压缩失稳在线测试系统实现，该方法包括以下步骤：

8、利用探针台的探针在探针加载结构的加载口处施加拉力直至挡板接触到第三锚点，继续施加载荷直至保险丝发生断裂，使冲击质量块在弹性储能折叠梁的回复力作用下加速运动，并带动冲击锤头对被测结构施加冲击压缩载荷；

9、记录被测结构发生屈曲失稳时挡板与第三锚点的挠度间距，将挠度间距带入冲击压缩模拟仿真的力学模型中，获得冲击加速度以及被测结构的临界屈曲失稳应力。

10、进一步地，通过光学显微镜观测所述保险丝是否发生断裂。

11、进一步地，通过有限元软件构建所述冲击压缩模拟仿真的力学模型。

12、一种上述原位片上微梁冲击压缩失稳在线测试系统的制造方法，包括制造片上冲击压缩试验机和探针台，其中制造片上试验机的步骤包括：

13、在硅片正面上利用光刻和刻蚀形成全部锚点；

14、利用光刻和湿法腐蚀在玻璃基片上形成浅槽，利用pvd和剥离在玻璃基片上形成防footing金属电极；

15、将硅片和玻璃基片进行阳极键合；

16、利用湿法腐蚀减薄硅片的厚度；

17、在硅片的上表面沉积用于结构释放的掩膜；

18、利用掩膜，通过深反应离子刻蚀形成可移动的悬空结构。

19、进一步地，采用pvd将al沉积在硅片的上表面作为所述掩膜。

20、进一步地，采用bhf溶液对玻璃基片进行湿法腐蚀，然后溅射ti、pt、au，剥离后形成所述防footing金属电极。

21、进一步地，采用koh溶液进行湿法腐蚀以减薄硅片。

22、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

23、本发明的原位片上微梁冲击压缩失稳在线测试系统及其制造方法，能够实现冲击加载、结构变形读取和临界失稳识别，能够提高测试的准确性、实时性和工艺适用性。基于本发明可以进一步开展微梁在冲击压缩加载条件下的屈曲失稳行为与破坏机制研究，为mems器件的结构设计优化、制造工艺评价与抗冲击可靠性评估提供理论依据与实验支撑。

1.一种原位片上微梁冲击压缩失稳在线测试系统，其特征在于，包括片上冲击压缩试验机和用于对片上冲击压缩试验机施加驱动力的探针台；片上冲击压缩试验机包括被测结构、冲击锤头、冲击质量块、连接结构、挡板、保险丝、连接杆、两个弹性储能折叠梁、两个支撑折叠梁、探针加载结构、第一锚点、第二锚点、第三锚点和第四锚点；被测结构的一端固定连接于第一锚点，另一端朝向冲击锤头；冲击锤头位于冲击质量块靠近被测结构的一侧并与冲击质量块连接，用于与被测结构发生接触并向被测结构施加瞬态冲击压缩载荷；连接结构的一端与冲击质量块连接，另一端与挡板连接；两个弹性储能折叠梁分别位于连接结构的两侧，其一端与连接结构连接，另一端固定于第二锚点上；保险丝位于挡板与连接杆之间，使弹性储能折叠梁能够在预加载阶段积累足够的弹性变形能；两个第三锚点分别位于连接杆的两侧；两个支撑折叠梁分别位于探针加载结构的两侧，其一端与探针加载结构相连接，另一端固定于第四锚点上，用于对探针加载结构进行弹性支撑和运动导向。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，包含一个第一锚点，四个第二锚点，两个第三锚点和两个第四锚点。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述探针台的探针在探针加载结构的加载口处施加拉力直至挡板接触到第三锚点，继续施加载荷直至保险丝发生断裂，使冲击质量块在弹性储能折叠梁的回复力作用下加速运动，并带动冲击锤头对被测结构施加冲击压缩载荷。

4.一种原位片上微梁冲击压缩失稳在线测试方法，其特征在于，采用权利要求1所述原位片上微梁冲击压缩失稳在线测试系统实现，该方法包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，通过光学显微镜观测所述保险丝是否发生断裂。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，通过有限元软件构建所述冲击压缩模拟仿真的力学模型。

7.一种权利要求1所述原位片上微梁冲击压缩失稳在线测试系统的制造方法，其特征在于，包括制造片上冲击压缩试验机和探针台，其中制造片上试验机的步骤包括：

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，采用pvd将al沉积在硅片的上表面作为所述掩膜。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，采用bhf溶液对玻璃基片进行湿法腐蚀，然后溅射ti、pt、au，剥离后形成所述防footing金属电极。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，采用koh溶液进行湿法腐蚀以减薄硅片。