[发明专利]用于原位测量MEMS微梁材料的杨氏模量的方法及装置

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及装置。提供了一种MEMS微梁材料杨氏模量原位测量方法，该方法包括：获取MEMS微梁的结构参数；获取MEMS微梁的吸合电压、固有频率和振型函数；根据MEMS微梁的结构参数、吸合电压、固有频率和振型函数，确定MEMS微梁的厚度；根据结构参数、振型函数、厚度和吸合电压或者根据结构参数、振型函数、厚度和和固有频率，确定MEMS微梁的杨氏模量。其中，结构参数包括MEMS微梁的长度、宽度和高度，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。通过采用上述测量方法，能够在MEMS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及装置。

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：获取MEMS微梁的结构参数，结构参数包括MEMS微梁的长度、宽度和高度，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；获取MEMS微梁的吸合电压、固有频率和振型函数；根据MEMS微梁的结构参数、吸合电压、固有频率和振型函数，确定MEMS微梁的厚度；根据结构参数、振型函数、厚度和吸合电压或者根据结构参数、振型函数、厚度和和固有频率，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：针对材料相同的多个MEMS微梁，重复上述步骤，以获取多个杨氏模量值并计算该多个杨氏模量值的平均值。

在其中一个实施例中，根据MEMS微梁的结构参数、吸合电压、固有频率和振型函数，确定MEMS微梁的厚度，包括：根据MEMS微梁的宽度和高度、吸合电压、固有频率和振型函数，确定MEMS微梁的下表面与底部电极的上表面之间的间隙距离；以及根据间隙距离和MEMS微梁的高度，确定MEMS微梁的厚度。

在其中一个实施例中，根据MEMS微梁的宽度和高度、吸合电压、固有频率和振型函数，确定MEMS微梁的下表面与底部电极的上表面之间的间隙距离，包括：联合以下公式确定间隙距离g，

其中，η为位置系数，b为微梁的宽度，g为间隙距离，z₀为高度，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为固有频率，为振型函数。

在其中一个实施例中，根据间隙距离和MEMS微梁的高度，确定MEMS微梁的厚度，包括根据以下公式确定厚度，

h+g＝z₀，