用于原位测量MEMS微梁材料的杨氏模量的方法技术

本发明专利技术涉及用于原位测量MEMS微梁材料的杨氏模量的方法。提供了一种用于原位测量MEMS微梁材料的杨氏模量的方法，包括：获取MEMS微梁的结构参数、吸合电压、第一固有频率和振型函数；根据结构参数、吸合电压、第一固有频率和振型函数，确定间隙距离的第一估计值；获取施加偏置电压后MEMS微梁的第二高度和第二固有频率；根据结构参数、吸合电压、偏置电压、第二高度、第二固有频率、振型函数以及第一估计值，确定间隙距离的第二估计值；根据MEMS微梁的结构参数、振型函数、第二估计值、第二高度以及吸合电压或第一固有频率，确定MEMS微梁的杨氏模量。上述方法能够在微梁厚度未知的情况下测量微梁材料的杨氏模量，实现杨氏模量的高精度无损原位测量。

【技术实现步骤摘要】
用于原位测量MEMS微梁材料的杨氏模量的方法
本专利技术涉及微机电系统领域，更具体地涉及用于原位测量MEMS微梁材料的杨氏模量的方法。
技术介绍
在MEMS(微机电系统,Micro-Electro-MechanicalSystem)领域中，大量的微传感器和微执行器采用微梁结构，微梁结构的弹性特性影响甚至决定着微传感器和微执行器的性能、寿命、可靠性以及稳定性。而MEMS微梁材料的杨氏模量的测量是评估MEMS微梁结构弹性特性的关键。由于MEMS微梁材料的弹性特性受到制造工艺的影响很大，所以对MEMS微梁材料的杨氏模量进行原位测量越来越重要。目前，针对MEMS的微纳米尺寸的微梁材料的杨氏模量的测量，主要采用弯曲法、纳米压痕法、拉伸法和谐振法。这些方法均需要专门设计特定尺寸的样品，弯曲法和拉伸法还需要考虑微纳米尺寸的样品的专用夹持机构；纳米压痕法测试过程会对样品带来一定的损伤。
技术实现思路
基于此，针对目前MEMS微梁材料杨氏模量的测量方法均需要专门设计特定尺寸的样品并且可能会损伤样品的问题，有必要提供一种用于原位测量MEMS微梁材料的杨氏模量的方法，能够在MEMS实现杨氏模量的高精度无损原位测量。根据本专利技术的一个方面，提供了一种用于原位测量MEMS微梁材料的杨氏模量的方法，该方法包括：步骤S100，获取MEMS微梁的结构参数、吸合电压、第一固有频率和振型函数，结构参数包括MEMS微梁的长度、宽度和第一高度，其中，第一高度和第一固有频率分别为未在MEMS微梁和底部电极之间施加偏置电压时MEMS微梁的高度和固有频率，高度为MEMS微梁的上表面与位于MEMS微梁下方的底部电极的上表面之间的距离；步骤S200，根据MEMS微梁的结构参数、吸合电压、第一固有频率和振型函数，确定MEMS微梁与底部电极之间的间隙距离的第一估计值；步骤S300，获取在MEMS微梁和底部电极之间施加偏置电压后的MEMS微梁的第二高度和第二固有频率；步骤S400，根据MEMS微梁的结构参数、吸合电压、偏置电压、第二高度、第二固有频率、振型函数以及第一估计值，确定间隙距离的第二估计值；步骤S500，根据MEMS微梁的结构参数、振型函数、第二估计值、第二高度以及吸合电压或第一固有频率，确定MEMS微梁的杨氏模量。在其中一个实施例中，该方法还包括：步骤S600，改变步骤S300中的偏置电压的值并重复步骤S300至步骤S500，以获取多个杨氏模量值并计算多个杨氏模量值的平均值。。在其中一个实施例中，步骤S200，根据MEMS微梁的结构参数、吸合电压、第一固有频率和振型函数，确定MEMS微梁与底部电极之间的间隙距离的第一估计值，包括：联合以下公式确定间隙距离的第一估计值其中，ηp为第一位置系数，g为间隙距离的第一估计值z0为高度，b为MEMS微梁的宽度，Vp为吸合电压，ε0为真空介电常数，εr为MEMS微梁与底部电极之间的介质的相对介电常数，ρ为MEMS微梁材料的密度，f0为第一固有频率，为振型函数。在其中一个实施例中，步骤S400，根据MEMS微梁的结构参数、吸合电压、偏置电压、第二高度、第二固有频率、振型函数以及第一估计值，确定间隙距离的第二估计值，包括：步骤S410，根据间隙距离的第一估计值、第一高度和第二高度，确定与偏置电压对应的第二位置系数；步骤S420，根据结构参数、第一位置系数、第二位置系数、振型函数、第二固有频率、吸合电压以及偏置电压，确定间隙距离的第二估计值。在其中一个实施例中，步骤S410，根据间隙距离的第一估计值、第一高度和第二高度，确定与偏置电压对应的位置系数ηV，包括：根据以下公式确定与偏置电压对应的第二位置系数ηV，其中，z0为第一高度，zV为第二高度，为间隙距离g的第一估计值。在其中一个实施例中，步骤S420，根据结构参数、第一位置系数、第二位置系数、振型函数、第二固有频率、吸合电压以及偏置电压，确定间隙距离的第二估计值，包括：根据以下公式确定间隙距离的第二估计值其中，g为间隙距离的第二估计值为质量系数，为振型函数，ηp为第一位置系数，ηV为第二位置系数，z0为第一高度，b为MEMS微梁的宽度，Vp为吸合电压，V为偏置电压，ε0为真空介电常数，εr为MEMS微梁与底部电极之间的介质的相对介电常数，ρ为MEMS微梁材料的密度，fV为第二固有频率。在其中一个实施例中，步骤S500，根据MEMS微梁的结构参数、振型函数、第二估计值、第二高度以及吸合电压或第一固有频率，确定MEMS微梁的杨氏模量，包括：步骤S510，根据第二估计值和第二高度确定微梁的厚度；步骤S520，根据MEMS微梁的结构参数、振型函数、厚度以及吸合电压或第一固有频率，确定MEMS微梁的杨氏模量。在其中一个实施例中，步骤S510，根据第二估计值和第二高度确定微梁的厚度，包括：根据以下公式确定MEMS微梁的厚度h，其中，h为厚度，为间隙距离的第二估计值，zV为第二高度。在其中一个实施例中，步骤S520，根据MEMS微梁的结构参数、振型函数、厚度以及吸合电压或第一固有频率，确定MEMS微梁的杨氏模量，包括：步骤S521，根据MEMS微梁的结构参数、振型函数、厚度以及吸合电压或第一固有频率，确定MEMS微梁的等效杨氏模量；步骤S522，根据等效杨氏模量以及MEMS微梁的宽度和厚度的比值，确定MEMS微梁的杨氏模量。在其中一个实施例中，步骤S521，根据MEMS微梁的结构参数、振型函数、厚度以及吸合电压或第一固有频率，确定MEMS微梁的等效杨氏模量，包括：根据以下两个公式中的任一个确定MEMS微梁的等效杨氏模量，其中，是MEMS微梁的等效杨氏模量，ρ为MEMS微梁材料的密度，L为MEMS微梁的长度，为振型函数的二阶导数，h为厚度，f0为第一固有频率，ε0为真空介电常数，εr为MEMS微梁与底部电极之间的介质的相对介电常数，为间隙距离的第二估计值，ηp为第一位置系数，Vp为吸合电压。在其中一个实施例中，步骤S522，根据等效杨氏模量以及MEMS微梁的宽度和厚度的比值，确定MEMS微梁的杨氏模量，包括：根据以下公式确定MEMS微梁的杨氏模量，其中，E为MEMS微梁的样式模量，是MEMS微梁的等效杨氏模量，b和h分别为MEMS微梁的宽度和厚度，ν为MEMS微梁材料的泊松比。上述用于原位测量MEMS微梁材料的杨氏模量的方法，由于根据MEMS微梁的长度、宽度、第一高度和第二高度、吸合电压、偏置电压、第一固有频率和第二固有频率以及振型函数，确定微梁的间隙距离估计值。然后根据间隙距离估计值并基于吸合电压或第一固有频率计算模型得到微梁的杨氏模量，从而能够在MEMS微梁厚度参数未知的情况下测量微梁材料的杨氏模量，实现了杨氏模量的高精度无损原位测量。附图说明将参考附图通过示例方式来描述本专利技术的优选而非限制的实施例，其中：图1示出了本申请一实施例中用于原位测量MEMS微梁材料的杨氏模量的方法的流程图。图2示出了本申请一实施例中MEMS微梁及其相关结构的示意图。图3示出了本申请另一实施例中用于原位测量MEMS微梁材料的杨氏模量的方法的流程图。图4示出了本申请又一实施例中用于原位测量MEMS微梁材料的杨氏模量的方法的流程图。图5示出了本申请再一实施例中用于原位测量MEMS微梁材料的杨氏模本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于原位测量MEMS微梁材料的杨氏模量的方法，其特征在于，所述方法包括：步骤S100，获取所述MEMS微梁的结构参数、吸合电压、第一固有频率和振型函数，所述结构参数包括所述MEMS微梁的长度、宽度和第一高度，其中，所述第一高度和所述第一固有频率分别为未在所述MEMS微梁和所述底部电极之间施加偏置电压时所述MEMS微梁的高度和固有频率，所述高度为所述MEMS微梁的上表面与位于所述MEMS微梁下方的底部电极的上表面之间的距离；步骤S200，根据所述MEMS微梁的结构参数、吸合电压、第一固有频率和振型函数，确定所述MEMS微梁与所述底部电极之间的间隙距离的第一估计值；步骤S300，获取在所述MEMS微梁和所述底部电极之间施加偏置电压后的所述MEMS微梁的第二高度和第二固有频率；步骤S400，根据所述MEMS微梁的结构参数、吸合电压、偏置电压、第二高度、第二固有频率、振型函数以及第一估计值，确定所述间隙距离的第二估计值；步骤S500，根据所述MEMS微梁的结构参数、振型函数、第二估计值、第二高度以及吸合电压或第一固有频率，确定所述MEMS微梁的杨氏模量。

【技术特征摘要】
1.一种用于原位测量MEMS微梁材料的杨氏模量的方法，其特征在于，所述方法包括：步骤S100，获取所述MEMS微梁的结构参数、吸合电压、第一固有频率和振型函数，所述结构参数包括所述MEMS微梁的长度、宽度和第一高度，其中，所述第一高度和所述第一固有频率分别为未在所述MEMS微梁和所述底部电极之间施加偏置电压时所述MEMS微梁的高度和固有频率，所述高度为所述MEMS微梁的上表面与位于所述MEMS微梁下方的底部电极的上表面之间的距离；步骤S200，根据所述MEMS微梁的结构参数、吸合电压、第一固有频率和振型函数，确定所述MEMS微梁与所述底部电极之间的间隙距离的第一估计值；步骤S300，获取在所述MEMS微梁和所述底部电极之间施加偏置电压后的所述MEMS微梁的第二高度和第二固有频率；步骤S400，根据所述MEMS微梁的结构参数、吸合电压、偏置电压、第二高度、第二固有频率、振型函数以及第一估计值，确定所述间隙距离的第二估计值；步骤S500，根据所述MEMS微梁的结构参数、振型函数、第二估计值、第二高度以及吸合电压或第一固有频率，确定所述MEMS微梁的杨氏模量。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：步骤S600，改变步骤S300中的所述偏置电压的值并重复步骤S300至步骤S500，以获取多个杨氏模量值并计算所述多个杨氏模量值的平均值。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤S200，根据所述MEMS微梁的结构参数、吸合电压、第一固有频率和振型函数，确定所述MEMS微梁与所述底部电极之间的间隙距离的第一估计值，包括：联合以下公式确定所述间隙距离的第一估计值其中，ηp为第一位置系数，g为所述间隙距离的第一估计值z0为所述高度，b为所述MEMS微梁的宽度，Vp为所述吸合电压，ε0为真空介电常数，εr为所述MEMS微梁与所述底部电极之间的介质的相对介电常数，ρ为所述MEMS微梁材料的密度，f0为所述第一固有频率，为所述振型函数。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤S400，根据所述MEMS微梁的结构参数、吸合电压、偏置电压、第二高度、第二固有频率、振型函数以及所述第一估计值，确定所述间隙距离的第二估计值，包括：步骤S410，根据所述间隙距离的第一估计值、所述第一高度和所述第二高度，确定与所述偏置电压对应的第二位置系数；步骤S420，根据所述结构参数、所述第一位置系数、所述第二位置系数、所述振型函数、所述第二固有频率、所述吸合电压以及所述偏置电压，确定所述间隙距离的第二估计值。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤S410，根据所述间隙距离的第一估计值、所述第一高度和所述第二高度，确定与所述偏置电压对应的位置系数ηV，包括：根据以下公式确定所述与所述偏置电压对应的第二位置系数ηV，其中，z0为所述第一高度，zV为所述第二高度，为所述间隙距离g的第一估计值。6.根据权利要求4所述的方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱军华，黄钦文，董显山，恩云飞，刘人怀，
申请(专利权)人：中国电子产品可靠性与环境试验研究所工业和信息化部电子第五研究所中国赛宝实验室，
类型：发明
国别省市：广东,44