专利名称：一种施加垂直于悬臂梁的作用力的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明属于微电子机械系统(MEMS)力学参数检测技术领域，具体涉及一种对悬臂梁持续施加垂直于悬臂梁的负载力的方法，以及采用此方法的装置，特别应用在对悬臂梁进行弯曲测试，检测断裂强度、扭转键合强度的领域。
背景技术：
九十年代以来，微电子机械系统(MEMS)技术进入了高速发 展阶段，不仅是因为概念新颖，而且是由于MEMS器件跟传统器件相比，具有小型化、集成化以及性能更优的前景特点。如今MEMS已经广泛用于汽车、航空航天、信息控制、医学、生物学等领域。但对于这种利用硅工艺制造出来的MEMS器件，随着MEMS器件做得越来越�。⒔峁沟某叽缃胛⒚琢考叮韫ひ罩屑庸こ叽缟系木晕蟛�、表面粗糙等问题给微结构强度、弹性模量、刚度、几何尺寸等力学参数带来的影响，已经越来越不能忽略。此时需要对微结构模型的分析方法、计算方法进行相应的修正，而准确提取这些硅工艺加工过程中微结构的力学参数就成了不可避免的重点问题。悬臂梁作为MEMS中最简单的微结构，工艺非常简单，需要进行控制的其他影响因素比较少，非常适合作为检测结构，用来提取单项力学性能参数。在利用悬臂梁结构进行力学参数检测时，通常需要对悬臂梁进行不同的弯曲实验，有些情况下要求在悬臂梁整个弯曲过程中，所受的力始终是垂直于悬臂梁，例如通过弯曲悬臂梁的方式测量锚点(ANCHOR)处扭转断裂强度，若悬臂梁所受到的作用力并非垂直于悬臂梁，则断裂就是扭转作用和拉压作用共同导致的，所测到的扭转断裂强度就并非是真正的扭转断裂强度。进行这种弯曲实验的传统方法是利用探针台的探针，但由于探针台的探针在测量过程中只能平动，必然会对悬臂梁产生沿悬臂梁方向的作用力(弹力或者滑动摩擦力)，另外也有一些利用片上力学微探针进行施加作用力的方法(相比前者，改善了探针台的探针在做平动运动时的左右晃动)，但由于这些探针设计的都是主要以平动为主，同样避免不了沿悬臂梁方向上的作用力的产生，这对此时的测量结果带来了必然的不准确性。
发明内容
通过上面的分析可知，在需要对悬臂梁持续施加垂直于悬臂梁方向的作用力的时候，现有的方法通常会产生沿悬臂梁方向的弹力或者滑动摩擦力，这对测量结果带来了必然的不确定性。本发明的目的是提出一种持续施加垂直于悬臂梁的作用力的方法及装置，通过合理设计的片上力学微探针来对探针台探针的作用力进行缓冲和变向，从而保持了在整个悬臂梁弯曲过程中，所受到的作用力始终是垂直于悬臂梁的。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案—种施加垂直于悬臂梁的作用力的方法，其步骤包括I)通过探针台探针向具有曲面探针头的片上力学微探针施加负载力；2)所述片上力学微探针通过曲面探针头向悬臂梁施加作用力，同时该片上力学微探针进行转动以使该悬臂梁在弯曲过程中受到的作用力始终垂直于该悬臂梁。进一步地，通过单端固支悬臂梁与探针头固定连接组成所述片上力学微探针，所述片上力学微探针围绕所述单端固支悬臂梁的锚点进行所述转动。进一步地，所述锚点的柱子的截面为矩形。
一种施加垂直于悬臂梁的作用力的装置，其包括悬臂梁、向该悬臂梁上施加作用力的片上力学微探针以及向该片上力学微探针施加负载力的探针台探针；所述片上力学微探针的探针头为曲面形式，所述片上力学微探针的运动形式为转动。进一步地，所述片上力学微探针包括一与所述探针头固定连接的单端固支悬臂梁，所述片上力学微探针围绕该单端固支悬臂梁的锚点进行所述转动。进一步地，所述锚点的柱子的截面为矩形。进一步地，片上力学微探针的悬臂梁长度大于被测悬臂梁的长度。本发明提出了利用片上力学微探针对探针台的探针进行缓冲和变向的思路，即通过探针台探针驱动片上力学微探针，再由片上力学微探针对悬臂梁进行直接输出负载力。这一方法的好处是可以对探针台的探针进行缓冲，提高施加负载的稳定性；而且该力学微探针经过合理的设计，可以改变探针台探针作用力的方向，能够使得悬臂梁所受的作用力始终垂直于悬臂梁。与现有对悬臂梁施加垂直方向负载的方法相比，本方法的优势在于本发明方法在施加过程中不会产生沿悬臂梁方向上的弹力，也不会产生任何方向上的摩擦力，使悬臂梁在弯曲过程中所受到的作用力始终是垂直于悬臂梁的，并且由于力学微探针的缓冲作用，使得负载力施加得更稳定，减少由于人为操作不当带来的瞬间冲击力。所以，测量与纯扭转相关的力学参数时，测量的结果就更加准确。
图I是实施例的施加垂直于悬臂梁的作用力的装置的示意图；其中1_单端固支悬臂梁；2_被测悬臂梁；3_探针头；W1-片上力学微探针的宽度；W2-被测悬臂梁的宽度；LI-被测悬臂梁的长度；L2-片上力学微探针的长度；W-片上力学微探针和悬臂梁的间距。图2是实施例的探针头俯视图。图3是实施例的锚点示意图。图4是实施例的两个不同时刻探针头和梁的位置俯视图。图5是实施例的施加负载过程示意6是实施例的探针头曲面斜率示意图。图7是实施例的坐标建立示意图。
具体实施例方式下面通过具体实施例并配合附图，对本发明做详细的说明。如图I所示，箭头位置为探针台探针的施力方向，通过合理设计后的力学微探针进行传递、变向，对右边的悬臂梁施加作用力。图I中，I是单端固支悬臂梁，探针头3是搭载在这个悬臂梁上，构成力学微探针系统。该力学微探针具有两个特征1)探针头为曲面设计，如图2所示；2)探针的运动为转动形式，即探针围绕图I左边梁的锚点进行转动。对于如图I中所示的悬臂梁的变形，包括两个部分一是锚点(ANCHOR)的扭转变形；二是梁结构的弯曲，包括单端固支悬臂梁I的弯曲和被测悬臂梁2的弯曲。两个过程可以分开来进行分析本实施例的锚点柱子采用矩形截面，如图3所示，其扭转过程中的扭转角为
权利要求
1.一种施加垂直于悬臂梁的作用力的方法，其步骤包括 1)通过探针台探针向具有曲面探针头的片上力学微探针施加负载力； 2)所述片上力学微探针通过曲面探针头向悬臂梁施加作用力，同时该片上力学微探针进行转动以使该悬臂梁在弯曲过程中受到的作用力始终垂直于该悬臂梁。
2.如权利要求I或所述的方法，其特征在于通过单端固支悬臂梁与探针头固定连接组成所述片上力学微探针，所述片上力学微探针围绕所述单端固支悬臂梁的锚点进行所述转动。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述锚点的柱子的截面为矩形。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述探针头的曲面上不同位置处的曲率半径的计算方法为 1)建立被测悬臂梁锚点柱子的矩形截面扭转过程中的扭转角方程
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于片上力学微探针的悬臂梁长度大于被测悬臂梁的长度。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于使用软件计算k值的数值解。
7.一种施加垂直于悬臂梁的作用力的装置，其特征在于，包括悬臂梁、向该悬臂梁上施加作用力的片上力学微探针以及向该片上力学微探针施加负载力的探针台探针；所述片上力学微探针的探针头为曲面形式，所述片上力学微探针的运动形式为转动。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于所述片上力学微探针包括一与所述探针头固定连接的单端固支悬臂梁，所述片上力学微探针围绕该单端固支悬臂梁的锚点进行所述转动。
9.如权利要求7所述的装置，其特征在于所述锚点的柱子的截面为矩形。
10.如权利要求7所述的装置，其特征在于其特征在于片上力学微探针的悬臂梁长度大于被测悬臂梁的长度。
全文摘要
本发明涉及一种施加垂直于悬臂梁的作用力的方法和装置，通过探针台探针向具有曲面探针头的片上力学微探针施加负载力；片上力学微探针通过曲面探针头向悬臂梁施加作用力，同时该片上力学微探针进行转动以使该悬臂梁在弯曲过程中受到的作用力始终垂直于该悬臂梁。本发明在对被测悬臂梁施加作用力的过程中不会产生沿悬臂梁方向上的弹力，也不会产生摩擦力；并且由于力学微探针的缓冲作用使得负载力的施加更稳定，测量结果更准确。
文档编号G01N3/26GK102967510SQ20121039791
公开日2013年3月13日 申请日期2012年10月18日 优先权日2012年10月18日
发明者何军, 张大成, 赵丹淇, 王玮, 杨芳, 田大宇, 刘鹏, 李婷, 罗葵 申请人:北京大学
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