基于多层悬臂梁的薄膜材料横向压电系数测试模型及方法技术

本发明专利技术涉及微机电系统材料参数在线测试技术领域，提出基于多层悬臂梁的薄膜材料横向压电系数测试模型及方法。测试模型由三个中间层和顶层宽度组合非线性相关的悬臂梁构成。三个悬臂梁的底层、中间层和顶层的材料和厚度分别完全相同，长度也相同。测试方法是先测得悬臂梁的一阶谐振频率，再基于谐振频率法对各悬臂梁的各层材料杨氏模量进行提取，然后基于逆压电效应法测量任意一个悬臂梁的尖端位移，最后基于能量法解析得到该悬臂梁中间层所用薄膜材料的横向压电系数d31。本发明专利技术提出的测试模型简单，其加工过程可与MEMS同步，没有特殊加工要求。测试方法求解复杂度低、计算量少，且易于操作，测试过程具备可重复性、稳定性和高效率，符合在线测试要求。

Measurement Model and Method of Transverse Piezoelectric Coefficient of Thin Film Materials Based on Multilayer Cantilever Beam

The invention relates to the technical field of on-line measurement of material parameters of micro-electromechanical system, and proposes a transverse piezoelectric coefficient measurement model and method of thin film material based on multi-layer cantilever beam. The test model consists of three cantilever beams with non-linear correlation of the width of the middle layer and the top layer. The material and thickness of the bottom, middle and top layers of the three cantilever beams are identical, and their lengths are the same. The first-order resonant frequency of the cantilever beam is measured firstly, then Young's modulus of each layer material of the cantilever beam is extracted based on the resonant frequency method, and then the tip displacement of any cantilever beam is measured based on the inverse piezoelectric effect method. Finally, the transverse piezoelectric coefficient d31 of the thin film material used in the middle layer of the cantilever beam is obtained based on the energy method. The test model proposed by the invention is simple, the processing process can be synchronized with the MEMS, and there is no special processing requirement. The test method has low computational complexity, easy operation, repeatability, stability and high efficiency, and meets the requirements of on-line test.

【技术实现步骤摘要】
基于多层悬臂梁的薄膜材料横向压电系数测试模型及方法
本专利技术涉及微机电系统材料参数的在线测试
，特别是涉及基于多层悬臂梁的薄膜材料横向压电系数测试模型及方法。
技术介绍
随着微电子机械系统(MEMS，Micro-Electro-MechanicalSystem)工艺的不断进步与完善，越来越多的微机械结构得以设计并制造出来。大部分的可动微机械结构尺寸很小，需要使用大量薄膜材料。但是，薄膜材料的力学特性不能用宏观机械材料的机械参数来衡量。而且薄膜材料，尤其是晶体材料，在形成薄膜、细梁等结构时，由于加工工艺的不同，即使同一种材料往往也会表现出明显不同的力学特性。同理，即使加工工艺相同，但在不同生产环境下由于热学参数的不同，也会导致同一种材料表现出明显不同的力学特性。因此，在生产制造薄膜材料时，对薄膜材料的特性开展监控和在线测试具有重要的应用价值。多层悬臂梁在MEMS中占有重要的地位，在悬臂梁上制作压电薄膜直接实现梁的运动与电信号之间的转换，受到了特别关注。并且，在设计和模拟悬臂梁时，压电薄膜材料的压电系数成为关键参数，其中又以横向压电系数d31最为重要。然而对于采用不同工艺或不同配本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于多层悬臂梁的薄膜材料横向压电系数测试模型，所述测试模型(200)包括第一三层悬臂梁(201)、第二三层悬臂梁(202)和第三三层悬臂梁(203)；所述三层悬臂梁释放后能保持平直状态；所述第一三层悬臂梁(201)、第二三层悬臂梁(202)和第三三层悬臂梁(203)的底层材料参数、底层厚度以及梁的长度完全相同，所述第一三层悬臂梁(201)、第二三层悬臂梁(202)和第三三层悬臂梁(203)的中间层材料参数、中间层厚度以及梁的长度完全相同，所述第一三层悬臂梁(201)、第二三层悬臂梁(202)和第三三层悬臂梁(203)的顶层材料参数、顶层厚度以及梁的长度完全相同，其特征在于：所述第一三层悬臂...

【技术特征摘要】
1.基于多层悬臂梁的薄膜材料横向压电系数测试模型，所述测试模型(200)包括第一三层悬臂梁(201)、第二三层悬臂梁(202)和第三三层悬臂梁(203)；所述三层悬臂梁释放后能保持平直状态；所述第一三层悬臂梁(201)、第二三层悬臂梁(202)和第三三层悬臂梁(203)的底层材料参数、底层厚度以及梁的长度完全相同，所述第一三层悬臂梁(201)、第二三层悬臂梁(202)和第三三层悬臂梁(203)的中间层材料参数、中间层厚度以及梁的长度完全相同，所述第一三层悬臂梁(201)、第二三层悬臂梁(202)和第三三层悬臂梁(203)的顶层材料参数、顶层厚度以及梁的长度完全相同，其特征在于：所述第一三层悬臂梁(201)的底层(11)宽度是w1、中间层(12)宽度是w21、顶层(13)宽度是w31，并且w1＞w21＞w31；所述第二三层悬臂梁(202)的底层(21)宽度是w1、中间层(22)宽度是w21、顶层(23)宽度是w32，并且w1＞w21＞w32；所述第三三层悬臂梁(203)的底层(31)宽度是w1、中间层(32)宽度是w22、顶层(33)宽度是w32，并且w1＞w22＞w32；所述第一三层悬臂梁(201)、第二三层悬臂梁(202)和第三三层悬臂梁(203)的中间层和顶层的宽度组合分别为：w21与w31、w21与w32和w22与w32，并且这些宽度组合之间非线性相关。2.根据权利要求1所述的基于多层悬臂梁的薄膜材料横向压电系数测试模型，其特征在于：第一三层悬臂梁(201)...

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