[發明專利]用于原位測量MEMS微梁材料的楊氏模量的方法

有效

• 申請號: 201811307552.1
• 申請日: 2018-11-05
• 公開（公告）號: CN109596290B
• 公開（公告）日: 2020-07-10
• 發明（設計）人: 朱軍華;黃欽文;董顯山;恩云飛;劉人懷
• 申請（專利權）人: 中國電子產品可靠性與環境試驗研究所（（工業和信息化部電子第五研究所）（中國賽寶實驗室））
• 主分類號: G01M5/00
• 分類號: G01M5/00;G01B11/02;G01B11/06
• 代理公司: 廣州華進聯合專利商標代理有限公司 44224
• 代理人: 陳金普

本發明涉及用于原位測量MEMS微梁材料的楊氏模量的方法。提供了一種用于原位測量MEMS微梁材料的楊氏模量的方法，包括：獲取MEMS微梁的結構參數、吸合電壓、第一固有頻率和振型函數；根據結構參數、吸合電壓、第一固有頻率和振型函數，確定間隙距離的第一估計值；獲取施加偏置電壓后MEMS微梁的第二高度和第二固有頻率；根據結構參數、吸合電壓、偏置電壓、第二高度、第二固有頻率、振型函數以及第一估計值，確定間隙距離的第二估計值；根據MEMS微梁的結構參數、振型函數、第二估計值、第二高度以及吸合電壓或第一固有頻率，確定MEMS微梁的楊氏模量。上述方法能夠在微梁厚度未知的情況下測量微梁材料的楊氏模量，實現楊氏模量的高精度無損原位測量。

技術領域

本發明涉及微機電系統領域，更具體地涉及用于原位測量MEMS微梁材料的楊氏模量的方法。

背景技術

在MEMS(微機電系統,Micro-Electro-Mechanical System)領域中，大量的微傳感器和微執行器采用微梁結構，微梁結構的彈性特性影響甚至決定著微傳感器和微執行器的性能、壽命、可靠性以及穩定性。而MEMS微梁材料的楊氏模量的測量是評估MEMS微梁結構彈性特性的關鍵。由于MEMS微梁材料的彈性特性受到制造工藝的影響很大，所以對MEMS微梁材料的楊氏模量進行原位測量越來越重要。

目前，針對MEMS的微納米尺寸的微梁材料的楊氏模量的測量，主要采用彎曲法、納米壓痕法、拉伸法和諧振法。這些方法均需要專門設計特定尺寸的樣品，彎曲法和拉伸法還需要考慮微納米尺寸的樣品的專用夾持機構；納米壓痕法測試過程會對樣品帶來一定的損傷。

發明內容

基于此，針對目前MEMS微梁材料楊氏模量的測量方法均需要專門設計特定尺寸的樣品并且可能會損傷樣品的問題，有必要提供一種用于原位測量MEMS微梁材料的楊氏模量的方法，能夠在MEMS實現楊氏模量的高精度無損原位測量。

根據本發明的一個方面，提供了一種用于原位測量MEMS微梁材料的楊氏模量的方法，該方法包括：步驟S100，獲取MEMS微梁的結構參數、吸合電壓、第一固有頻率和振型函數，結構參數包括MEMS微梁的長度、寬度和第一高度，其中，第一高度和第一固有頻率分別為未在MEMS微梁和底部電極之間施加偏置電壓時MEMS微梁的高度和固有頻率，高度為MEMS微梁的上表面與位于MEMS微梁下方的底部電極的上表面之間的距離；步驟S200，根據MEMS微梁的結構參數、吸合電壓、第一固有頻率和振型函數，確定MEMS微梁與底部電極之間的間隙距離的第一估計值；步驟S300，獲取在MEMS微梁和底部電極之間施加偏置電壓后的MEMS微梁的第二高度和第二固有頻率；步驟S400，根據MEMS微梁的結構參數、吸合電壓、偏置電壓、第二高度、第二固有頻率、振型函數以及第一估計值，確定間隙距離的第二估計值；步驟S500，根據MEMS微梁的結構參數、振型函數、第二估計值、第二高度以及吸合電壓或第一固有頻率，確定MEMS微梁的楊氏模量。

在其中一個實施例中，該方法還包括：步驟S600，改變步驟S300中的偏置電壓的值并重復步驟S300至步驟S500，以獲取多個楊氏模量值并計算多個楊氏模量值的平均值。

在其中一個實施例中，步驟S200，根據MEMS微梁的結構參數、吸合電壓、第一固有頻率和振型函數，確定MEMS微梁與底部電極之間的間隙距離的第一估計值，包括：聯合以下公式確定間隙距離的第一估計值

其中，η_p為第一位置系數，g為間隙距離的第一估計值，z₀為第一高度，b為MEMS微梁的寬度，V_p為吸合電壓，ε₀為真空介電常數，ε_r為MEMS微梁與底部電極之間的介質的相對介電常數，ρ為MEMS微梁材料的密度，f₀為第一固有頻率，為振型函數。