[发明专利]用于原位测量MEMS微梁材料的杨氏模量的方法

说明书

本发明涉及用于原位测量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。

技术领域

本发明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。

背景技术

在MEMS(微机电系统,Micro-Electro-Mechanical System)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。

发明内容

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。

根据本发明的一个方面，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，η_p为第一位置系数，g为间隙距离的第一估计值，z₀为第一高度，b为MEMS微梁的宽度，V_p为吸合电压，ε₀为真空介电常数，ε_r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。