本发明专利技术公开了一种MEMS芯片微腔内部残余压力测量方法，包括以下步骤：通过气压控制系统气压变化，使加在处于密封状态的待测MEMS芯片的微腔上的外界压力得到压力扫描曲线，对所述待测MEMS芯片的第一测量位置和第二测量位置这两个不同位置利用反射光进行腔长测量；所得到的腔长测量数据互为参考，对这两组测量数据进行线性拟合，在测量数据交点区域看到两组数据的交点，即得到膜片平坦位置，此时对应的外界压力即为待测的残余压力。与现有技术相比，本发明专利技术是一种非破坏性的测量方法；对同一待测MEMS芯片的两个不同测量位置进行腔长测量，两位置的腔长测量数据互为参考；两位置处腔长测量时始终处于相同的外部压力条件下，保证作为参考信号的可靠性与同步性。
【技术实现步骤摘要】
—种MEMS芯片微腔内部残余压力测量系统及方法
本专利技术涉及于光纤传感领域，特别是涉及一种具有微腔的MEMS芯片的残余压力测量系统及测量方法。
技术介绍
MEMS芯片具有尺寸小、精度高、可批量制作等优点而受到了国内外越来越多的科研人员的关注。常见的MEMS芯片有MEMS压力传感器芯片，MEMS硅谐振传感器芯片，MEMS陀螺传感器芯片，这些传感器芯片均存在微腔结构，通常需要在高真空环境中制作才能保证其高性能。然而，在制作过程中产生气体和传感器芯片本身的气密性泄露都会导致其真空度降低，在其内部产生残余压力。这些残余压力将会改变传感器的温度特性和长期稳定性，从而降低传感器芯片的性能。到目前为止，针对微腔内部残余压力，国内外科研人员提出了一些测量方法。如 1993 年，Michael A.Huff 等(M.A.Huff, A.D.Nikolich and M.A.Schmidt, Designof sealed cavity microstructures formed by si I icon wafer bonding.^J.Microelectromech.Syst.2, 74(1993).)提出利用边缘受限弹性膜片形变理论与理想气体状态方程来计算法珀腔内的残余压力，但是这种方法的计算精度非常容易受一些参数的测量误差的影响，比如微腔直径，弹性膜片厚度，测量点相对于中心位置的偏差以及各向异性材料的杨氏弹性模量。在 1998 年，H.Kapels 等(H.Kapels, T.Scheiter, C.Hierold, R.Aigner and J.Binder, ^Cavity pressure determination and leakage testing forsealed surface micromachined membranes:a novel on-wafer test method.^Proc.Eleventh Annu.1nt.Workshop Micro Electro Mechanical Syst.550 (1998).)将完整微腔芯片和钻孔破坏后的微腔芯片进行实验，测量它们的谐振频率随外部扫描压力的变化量，其中，将破坏后的微腔实验结果作为参考，得到两组测量结果的交点，此时对应的外部扫描压力即为待测微腔内部压力值。在2001年，A.V.Chavan等(A.V.Chavan and K.D.Wise.‘’Batch-processed vacuum-sealed capacitive pressuresensors.〃J.Microelectromech.Syst.10, 580 (2001).)米用上述类似的方法，通过测量电容实现对MEMS电容压力传感器芯片内部残余压力的测量。在2005年，S.H.Choa等(S.R Choa, Reliability of MEMS packaging: vacuum maintenance and packaginginduced stress.Microsys.Technol.11, 1187 (2005).)通过外部扫描压力与 MEMS 陀螺仪Q值的关系实现其内部残余压力的测量。但是，上述方法均需要一个额外的参考，这个参考需要在微腔上钻孔以保证微腔内外压力平衡，或者需要破坏微腔释放内部气体，因而均属于破坏性测量，导致传感器芯片不能再使用。该种方法多为用于对一批传感器芯片进行抽样检测来对评估整体传感器芯片的性能，可靠性较低。而在2005年，D.Veyrie等(D.Veyrie, D.Lellouchi, J.L.Roux, F.Pressecq, A.Tetelin and C.Pellet, 〃FTIRspectroscopy for the hermeticity assessment of micro-cavities.^Microelectron.Reliab.45，1764(2005))采用探测微腔内部气体浓度的方法实现对硅基结构微腔内部残余压力的测量，但是该方法的的测量灵敏度强烈依赖于微腔尺寸大小和内部气体的吸收系数。
技术实现思路
为了克服现有技术存在的问题，本专利技术提供了针对以上不足，提出了一种MEMS芯片微腔内部残余压力测量系统及方法，通过非破坏性的测量设计手段，达成可靠的MEMS芯片微腔内部残余压力测量目的。本专利技术提出了一种MEMS芯片微腔内部残余压力测量系统，该系统包括低相干光源16、3dB耦合器17、光纤18、2X I光开关19、腔长解调仪20、数据采集卡21和计算机23、具有微腔28的待测MEMS芯片、空气压力舱22、压力控制系统，其中:所述低相干光源16发出的光耦合到光纤18，经过一个3dB耦合器17后，入射到待测MEMS芯片；采用2X1光开关19将低相干光分别导入第一光纤15和第二光纤14，两光纤输入的反射光信号包含待测MEMS芯片第一测量位置和第二测量位置这两个位置处对应的腔长信息，并重新稱合回对应的光纤；反射光经过2X1光开关19和3dB稱合器17后，进入腔长解调仪20，腔长解调结果通过数据采集卡21输入到计算机23进行进一步数据处理；所述微腔28置于空气压力舱22内，并将其密封；空气压力舱22通过压力控制系统控制其压力的变化，得到关于外界压力4的压力变化扫描结果；所述压力控制系统由压力控制仪24，真空泵25和空气压缩机26构成，各部件之间通过气管28联接；整个系统通过计算机23用于控制整个测量系统；外界压力4扫描的同时，对微腔28两个位置对应的腔长进行解调；解调结果是第一测量位置和第二测量位置的腔长测量数据；对两组测量数据进行线性拟合，在测量数据交点区域看到两组数据的交点，即得到膜片平坦位置30，此时对应的外界压力4即为待测的残余压力5。所述微腔(8)内部残余压力很低的情况下，分别将所述第一测量位置和第二测量位置的两组腔长测量数据的线性拟合曲线延长，延长线的交点表示膜片平坦位置30。本专利技术还提出了一种MEMS芯片微腔内部残余压力测量方法，该方法包括以下步骤:通过气压控制系统气压变化，使加在处于密封状态的待测MEMS芯片的微腔上的外界压力4得到压力扫描曲线，对所述待测MEMS芯片的第一测量位置和第二测量位置这两个不同位置利用反射光进行腔长测量；所得到的腔长测量数据互为参考，对这两组测量数据进行线性拟合，在测量数据交点区域看到两组数据的交点，即得到膜片平坦位置30，此时对应的外界压力4即为待测的残余压力5。对于微腔8内部残余压力很低的情况下残余压力5处于外界压力4扫描范围。此时所测得的腔长结果不会存在交点位置。在这种情况下，分别将两组腔长测量数据的线性拟合曲线延长，延长线的交点表示膜片平坦位置30。与现有技术相比，本专利技术具有如下积极效果:1、本专利技术提出的MEMS芯片微腔内部残余压力测量方法，对同一芯片的两个不同位置进行腔长测量，两位置的腔长测量数据互为参考。两位置处腔长测量过程中，始终处于相同的外部压力条件下，保证作为参考信号的可靠性与同步性。本方法可以采用三个或三个以上的位置进行测量，可以进一步提高测量可靠性和精度。2、本专利技术提出的MEMS芯片微腔内部残余压力测量方法，由于具有自参考的特点，本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种MEMS芯片微腔内部残余压力测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：通过气压控制系统气压变化，使加在处于密封状态的待测MEMS芯片的微腔上的外界压力（4）得到压力扫描曲线，对所述待测MEMS芯片的第一测量位置和第二测量位置这两个不同位置利用反射光进行腔长测量；所得到的腔长测量数据互为参考，对这两组测量数据进行线性拟合，在测量数据交点区域看到两组数据的交点，即得到膜片平坦位置（30），此时对应的外界压力（4）即为待测的残余压力（5）。
【技术特征摘要】
1.一种MEMS芯片微腔内部残余压力测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤: 通过气压控制系统气压变化，使加在处于密封状态的待测MEMS芯片的微腔上的外界压力(4)得到压力扫描曲线，对所述待测MEMS芯片的第一测量位置和第二测量位置这两个不同位置利用反射光进行腔长测量；所得到的腔长测量数据互为参考，对这两组测量数据进行线性拟合，在测量数据交点区域看到两组数据的交点，即得到膜片平坦位置(30)，此时对应的外界压力(4)即为待测的残余压力(5)。2.如权利要求1所述的一种MEMS芯片微腔内部残余压力测量方法，其特征在于，对于微腔(8)内部残余压力很低的情况下残余压力(5)处于外界压力(4)扫描范围；此时所测得的腔长结果不会存在交点位置。在这种情况下，分别将两组腔长测量数据的线性拟合曲线延长，延长线的交点表示膜片平坦位置(30 )。3.—种MEMS芯片微腔内部残余压力测量系统，其特征在于，该系统包括低相干光源(16)、3dB耦合器(17)、光纤(18)、2X1光开关(19)、腔长解调仪(20)、数据采集卡(21)和计算机(23)、具有微腔(28)的待测MEMS芯片、空气压力舱(22)、压力控制系统，其中: 所述低相干光源(16)发出的光耦合到光纤(18)，经过一个3dB耦合器(17)后，入射到待测MEMS芯片；采用2X1光开关(...
【专利技术属性】
技术研发人员：江俊峰，刘铁根，尹金德，刘琨，王双，邹盛亮，秦尊琪，吴振海，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：
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