基于谐振频率的双端固支梁力学参数测量方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于谐振频率的双端固支梁力学参数测量方法。该方法基于多层复合双端固支梁的一阶谐振频率与材料特性、结构尺寸等参数之间的关系，利用求解方程组的形式一次性得到多层复合双端固支梁各层的等效杨氏模量和各层的等效残余应力，可满足多层薄膜材料的在线测试，且测试结构、计算方法简单，准确性更高。本发明专利技术还公开了一种基于谐振频率的双端固支梁力学参数测量装置。

【技术实现步骤摘要】
基于谐振频率的双端固支梁力学参数测量方法及装置
本专利技术涉及一种双端固支梁力学参数测量方法，尤其涉及一种基于谐振频率的双端固支梁力学参数测量方法，属于微机电系统(Micro-Electro-MechanicalSystem，简称MEMS)材料参数在线测试

技术介绍
MEMS全称为微机电系统，也叫做微电子机械系统、微系统、微机械等，是指尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置，其内部结构一般在微米甚至纳米量级，是一个独立的智能系统。MEMS主要由传感器、动作器(执行器)和微能源三大部分组成。微机电系统涉及物理学、半导体、光学、电子工程、化学、材料工程、机械工程、医学、信息工程及生物工程等多种学科和工程技术，为智能系统、消费电子、可穿戴设备、智能家居、系统生物技术的合成生物学与微流控技术等领域开拓了广阔的用途。常见的产品包括MEMS加速度计、MEMS麦克风、微马达、微泵、微振子、MEMS压力传感器、MEMS陀螺仪、MEMS湿度传感器等以及它们的集成产品。随着MEMS工艺的发展和完善，用表面微机械加工技术和体硅加工工艺，已经做出了多种微型机械构件，如微悬臂梁、微桥等。这些微型机械构件，由于尺寸较小，在宏观上往往被看作薄膜结构，其力学行为与宏观的大块机械材料之间有相当大的差异，不能用我们所熟知的宏观机械材料的机械参数来衡量薄膜材料的力学性能。薄膜材料的力学性能与具有相同化学成分的大体积材料的力学性能有较大的差异，各种传统的力学性能测试技术与设备也不能直接用于薄膜材料的测试，所以在表面微机械结构的加工过程中薄膜材料力学参数(例如，残余应力、杨氏模量、疲劳强度、断裂强度、泊松比)的控制就变得尤其重要，在MEMS领域，薄膜力学性能的研究和测试正在成为一个新的研究热点，引起了微电子学、力学、物理、材料等领域研究者的兴趣。对于很多种材料，尤其是在晶体材料在形成薄膜、细梁等结构，在不同的加工工艺条件下，即使相同的材料也往往会表现出明显不同的材料特性。同样，即使同样的工艺在不同生产环境下所表现出的热学参数也存在明显不同，因而会表现出明显不同的力学参数，如密度、杨式模量、残余应力等。但是如果以上力学参数已知的话，则对于传感器、执行器部分的一些静态或动响应，就可以方便地由已测得的其它参数估计出来。所以，在线监测薄膜结构的力学参数对于MEMS器件具有非常重要的意义。一方面由于尺寸相对较小，薄膜材料的材料参数难以利用经典的宏观表征技术进行实验测量；另一方面，CMOSMEMS器件往往使用多层薄膜结构，将已有的测试单层薄膜材料力学参数方法应用到多层薄膜材料参数测量上却并不容易。因此，建立工艺兼容的对多层薄膜材料力学参数的在线测试结构和测试方法，对于监测MEMS薄膜材料力学特性，预测和优化产品性能，保证产品性能可靠、均匀一致并且长期稳定，具有非常重要的意义。现有测量薄膜材料的杨氏模量的方法包括纳米压痕法、静电吸合法、鼓泡法等。但纳米压痕法会损伤薄膜；静电吸合法多次测量后由于静电积累，会造成测量误差，而且只适合测量导电材料；鼓泡法测量对工作台面的平面度、粗糙度要求高，同时薄膜构件与工作台的粘结质量直接影响试验的成功与否。中国专利技术专利CN101493389公开了《一种基于谐振频率法在线测量MEMS薄膜杨氏模量的方法》。该方法制作了一个中心固定的圆形MEMS薄膜，薄膜的锚区固定在平面衬底上，通过测出圆形MEMS薄膜的谐振频率从而计算得到薄膜材料的杨氏模量。该专利技术主要适用于单层薄膜，但是目前对于多层薄膜材料参数的市场需求越来越大，且单层薄膜材料力学参数的提取并不能直接套用到多层薄膜上。另外，该专利技术并非双端固定，稳定性较差，且不能求出材料的等效残余应力。
技术实现思路
为了克服现有技术不足，本专利技术提出了一种基于谐振频率的多层双端固支梁力学参数测量方法及装置，基于多层复合双端固支梁的一阶谐振频率与材料特性、结构尺寸等参数之间的关系，利用求解方程组的形式一次性得到多层复合双端固支梁各层的等效杨氏模量和各层的等效残余应力，可满足多层薄膜材料的在线测试，且测试结构、计算方法简单，准确性更高。本专利技术具体采用以下技术方案解决上述技术问题：基于谐振频率的双端固支梁力学参数测量方法，所述多层双端固支梁为初始平直的N层复合双端固支梁，N为大于等于2的整数；首先，采用相同的制备工艺制备一组至少2N个N层复合双端固支梁的测试结构，各测试结构除几何尺寸外的其他材料参数均相同；以每个测试结构的各层宽度及长度所组成的向量作为该测试结构的尺寸向量，则这一组测试结构的尺寸向量组线性无关；然后测量出每个测试结构的一阶谐振频率并分别代入N层复合双端固支梁一阶谐振频率表达式，从而得到由至少2N个非线性方程构成的方程组；最后对所述方程组求解，得到所述双端固支梁各层的等效杨氏模量和/或各层的等效残余应力；其中，所述N层复合双端固支梁一阶谐振频率f1s的表达式具体如下：式中，l为所述N层复合双端固支梁的长度；第i层薄膜材料的宽度为wi，厚度为hi，材料密度为ρi，等效杨氏模量为等效残余应力为zc是中性面高度。为了简化计算，优选地，所述测试结构的数量为2N，这2N个测试结构被等分为两组，每一组中的各测试结构具有相同的长度，不同组测试结构的长度不同。更进一步地，各测试结构第i层的宽度各不相同，各测试结构其余各层的宽度均相同，i为1～N之间的任一整数。优选地，使用牛顿迭代法对所述方程组求解。根据相同的专利技术思路还可以得到以下技术方案：基于谐振频率的双端固支梁力学参数测量装置，所述双端固支梁为初始平直的N层复合双端固支梁，N为大于等于2的整数；所述测量装置包括：一组至少2N个N层复合双端固支梁的测试结构，采用相同的制备工艺制备，各测试结构除几何尺寸外的其他材料参数均相同；以每个测试结构的各层宽度及长度所组成的向量作为该测试结构的尺寸向量，则这一组测试结构的尺寸向量组线性无关；谐振频率测量单元，用于测量每个测试结构的一阶谐振频率；计算单元，用于将测量出的每个测试结构的一阶谐振频率分别代入N层复合双端固支梁一阶谐振频率表达式，从而得到由至少2N个非线性方程构成的方程组；并对所述方程组求解，得到所述多层双端固支梁各层的等效杨氏模量和/或各层的等效残余应力；其中，所述N层复合双端固支梁一阶谐振频率f1s的表达式具体如下：式中，l为所述N层复合双端固支梁的长度；第i层薄膜材料的宽度为wi，厚度为hi，材料密度为ρi，等效杨氏模量为等效残余应力为zc是中性面高度。为了简化计算，优选地，所述测试结构的数量为2N，这2N个测试结构被等分为两组，每一组中的各测试结构具有相同的长度，不同组测试结构的长度不同。更进一步地，各测试结构第i层的宽度各不相同，各测试结构其余各层的宽度均相同，i为1～N之间的任一整数。优选地，计算单元使用牛顿迭代法对所述方程组求解。相比现有技术，本专利技术技术方案具有以下有益效果：本专利技术基于多层复合双端固支梁的谐振频率与材料特性、结构尺寸等参数之间的关系，利用求解方程组的形式一次性得到多层复合双端固支梁各层的等效杨氏模量和/或各层的等效残余应力，解决了多层复合薄膜结构的力学参数测量难题。本专利技术测试方法简单，对测试设备要求低，且测试过程稳定，测试准确性高。本专利技术测试结构的加工过程与微机电器件本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于谐振频率的双端固支梁力学参数测量方法，所述双端固支梁为初始平直的N层复合双端固支梁，N为大于等于2的整数；其特征在于，首先，采用相同的制备工艺制备一组至少2N个N层复合双端固支梁的测试结构，各测试结构除几何尺寸外的其他材料参数均相同；以每个测试结构的各层宽度及长度所组成的向量作为该测试结构的尺寸向量，则这一组测试结构的尺寸向量组线性无关；然后测量出每个测试结构的一阶谐振频率并分别代入N层复合双端固支梁一阶谐振频率表达式，从而得到由至少2N个非线性方程构成的方程组；最后对所述方程组求解，得到所述双端固支梁各层的等效杨氏模量和/或各层的等效残余应力；其中，所述N层复合双端固支梁一阶谐振频率f

【技术特征摘要】
1.基于谐振频率的双端固支梁力学参数测量方法，所述双端固支梁为初始平直的N层复合双端固支梁，N为大于等于2的整数；其特征在于，首先，采用相同的制备工艺制备一组至少2N个N层复合双端固支梁的测试结构，各测试结构除几何尺寸外的其他材料参数均相同；以每个测试结构的各层宽度及长度所组成的向量作为该测试结构的尺寸向量，则这一组测试结构的尺寸向量组线性无关；然后测量出每个测试结构的一阶谐振频率并分别代入N层复合双端固支梁一阶谐振频率表达式，从而得到由至少2N个非线性方程构成的方程组；最后对所述方程组求解，得到所述双端固支梁各层的等效杨氏模量和/或各层的等效残余应力；其中，所述N层复合双端固支梁一阶谐振频率f1s的表达式具体如下：式中，l为所述N层复合双端固支梁的长度；第i层薄膜材料的宽度为wi，厚度为hi，材料密度为ρi，等效杨氏模量为等效残余应力为zc是中性面高度。2.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述测试结构的数量为2N，这2N个测试结构被等分为两组，每一组中的各测试结构具有相同的长度，不同组测试结构的长度不同。3.如权利要求2所述方法，其特征在于，各测试结构第i层的宽度各不相同，各测试结构其余各层的宽度均相同，i为1～N之间的任一整数。4.如权利要求1所述方法，其特征在于，使用牛顿迭代法对所述方程组求解。5.基于谐振频率的双端固支梁力学参数测量装置，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：周再发，孙超，郭欣格，黄庆安，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32