CN103033552B - 微结构材料机械性能退化检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微结构材料机械性能退化检测方法，包括以下步骤，保持环境温度不变，确定固定电极与移动电极之间的闭合电压；选取直流偏置电压，使得直流偏置电压小于闭合电压，并将该直流偏置电压施加于固定电极与移动电极之间，待移动电极在静电力的作用下达到平衡后，监控测量移动电极在平面内的运动位移。本发明微结构材料机械性能退化检测方法测量精度高、测量效率高。

Description

微结构材料机械性能退化检测方法

技术领域

本发明涉及微结构材料检测领域，特别是涉及一种微结构材料机械性能退化检测方法。

背景技术

目前来讲，由于疲劳或者残余应力改变微结构材料的杨氏模量，引起器件的谐振频率变化。故对于微结构材料的频率特性的测试，通常采用频率扫描的方法。但微结构材料的谐振频率、品质因数可能会很高，如果采用频率扫描的方法进行测试，就要求以很小的频率扫描步进、较宽的频率扫描范围对加速度计进行稳态扫描。从测量精度上讲，频率扫描步长越小、稳态时间越长，测量精度就越高；而从测量效率上讲，则恰恰相反，因而这种方法很难同时满足测量精度和测量效率两方面的要求。

发明内容

基于此，有必要针对现有技术缺陷问题，提供一种测量精度高、测量效率高的微结构材料机械性能退化检测方法。

其技术方案如下。

一种微结构材料机械性能退化检测方法，包括以下步骤，

保持环境温度不变，确定固定电极与移动电极之间的闭合电压；

选取直流偏置电压，使得直流偏置电压小于闭合电压，并将该直流偏置电压施加于固定电极与移动电极之间，待移动电极在静电力的作用下达到平衡后，监控测量移动电极在平面内的运动位移。

进一步地，微结构材料机械性能退化检测方法还包括以下步骤，

在微结构材料经受振动、冲击或进行循环运动后，监控测量移动电极在平面内的运动位移；

重复上述步骤，比较移动电极在平面内的运动位移可获得微结构材料的疲劳状态或残余应力的变化信息。

进一步地，闭合电压的测量步骤如下，

在移动电极与固定电极之间进行电压扫描，同时检测移动电极与固定电极之间的电流，当电流出现剧烈增加时，则对应的电压为闭合电压。

进一步地，闭合电压为V_p

$V_p=\sqrt{\frac{8k_m}{27\mathrm{\ϵ}{\mathrm{\ϵ}}_{0}A}{d}_0^3}$

其中，ε₀为真空介电常数，ε为介质的相对介电常数，A为电容极板面积，d₀为电容极板的初始间距，k_m为微结构材料的机械刚度。

一种微结构材料机械性能退化检测装置，包括直流偏置电压发生器，所述直流偏置电压发射器上分别设置固定电极接口和移动电极接口，所述固定电极接口连接至固定电极，所述移动电极接口与所述移动电极相连接。

下面对本技术方案的原理或优点进行说明。

微结构材料中的移动电极与固定电极之间施加一直流偏置电压，该直流偏置电压小于移动电极与固定电极之间的闭合电压，因此，直流偏置电压的施加不会导致移动电极与固定电极的闭合接触，但会引起移动电极的运动，通过监测移动电极在平面内的运动位移，可实现对微结构材料机械性能退化的精确监测，这是因为，移动电极的运动位移是与器件机械结构的机械强度相关的，在固定的偏置电压的作用下，运动位移是一个对材料机械性能敏感的参数，机械性能的变化会引起移动电极运动位移的变化。本技术方案仅通过监测移动电极的面内/面外运动位移就可实现，测量效率高，同时，基于目前已有的微结构材料面内/面外运动测量方法，可以实现对移动电极面内/面外运动位移的高精度测量。

附图说明

图1为本发明实施例中应用实例一所述的梳齿式微结构材料机械加速度计的结构原理图；

图2为本发明实施例中应用实例二所述的RF MEMS开关的结构示意图；

附图标记说明：

10、敏感质量，20、动齿固定端，30、折叠梁，40、固定梳齿，401、第一固定梳齿，402、第二固定梳齿，50、可动梳齿，60、输入电极，70、输出电极，80、偏置电极。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例进行详细的说明。

微结构材料机械性能退化检测方法，包括以下步骤，

保持环境温度不变，确定固定电极与移动电极之间的闭合电压。

闭合电压可以用以下方法进行测量，在移动电极与固定电极之间进行电压扫描，同时检测移动电极与固定电极之间的电流，当电流出现剧烈增加时，则对应的电压为闭合电压。

又或者，闭合电压为V_p

现有的梳齿式微结构材料机械加速度计原理图如图1所示，包括一个敏感质量10、动齿固定端20、折叠梁30、第一固定梳齿401、第二固定梳齿402以及可动梳齿50。其中，固定梳齿40与可动梳齿50分别起固定电极和移动电极的作用，而且第一固定梳齿401、第二固定梳齿402与可动梳齿50交错配置，形成差动电容，当有沿着敏感质量10轴向的加速度输入时，敏感质量10在加速度方向上产生一定的位移，该位移被转化为电容的变化，通过测量电容的变化，可得到加速度的值。

当在梳齿之间加入交流载波信号，就会使电容之间产生静电场，因此就会有静电吸引力作用在敏感质量10上。设电容极板间施加的电压为V，电容量为C，则电容中贮存的电场能W为：

$W=\frac{1}{2}{V}^{2}C$

此时施加在敏感质量10上的静电力F为

$F=\frac{\∂W}{\∂d}=\frac{1}{2}{V}^2\frac{\∂C}{\∂d}=-\frac{1}{2}{V}^2\frac{\mathrm{\ϵ}{\mathrm{\ϵ}}_{0}A}{d_0^2}$

式中，ε₀为真空介电常数，ε为介质的相对介电常数，A为电容极板面积，d₀为电容极板的初始间距，设静电力F与梁的刚度所引起的机械回复力相等，则可得到：

$\frac{1}{2}{V}^2\frac{\mathrm{\ϵ}{\mathrm{\ϵ}}_{0}A}{d^2}=k_m(d_0-d)$

式中，d为电容极板在静电力作用下，稳定后电容极板之间的间距。

求解该方程可得：

$V=\sqrt{\frac{2k_m}{\mathrm{\ϵ}{\mathrm{\ϵ}}_{0}A}{d}^2(d_0-d)}---\left(1\right)$

式中，k_m为微结构材料的机械刚度，对式(1)中的间距d求导并令导数为零，可得到：当静电力使可动梳齿50的运动位移大于1/3d₀时，会导致固定梳齿40和可动梳齿50在静电力作用下发生接触而粘合在一起。直到撤掉固定梳齿40和可动梳齿50之间的直流偏置电压V_ref，才可能使固定梳齿40和可动梳齿50分开。由以上分析，取d＝2/3d₀，可得

$V_p=\sqrt{\frac{8k_m}{27{\mathrm{\ϵ\ϵ}}_{0}A}{d}_0^3}---\left(2\right)$

选取直流偏置电压，使得直流偏置电压小于闭合电压，并将该直流偏置电压施加于固定电极与移动电极之间，待移动电极在静电力的作用下达到平衡后，监控测量移动电极在平面内的运动位移。

在微结构材料经受振动、冲击或进行循环运动后，监控测量移动电极在平面内的运动位移。

重复上述步骤，比较移动电极在平面内的运动位移可获得微结构材料的疲劳状态或残余应力的变化信息。

一种微结构材料机械性能退化检测装置，包括直流偏置电压发生器，直流偏置电压发射器上分别设置固定电极接口和移动电极接口，固定电极接口连接至固定电极，移动电极接口与移动电极相连接。

本实施例方法适用于利用静电力进行传感器、驱动的MEMS器件，在固定的直流偏置电压下，通过监测移动电极的运动位移，实现对该类型的MEMS器件结构材料机械性能退化的检测。

下面具体以本实施例方法在梳齿式微结构材料机械加速度计、RF MEMS开关中的测量应用进行详细说明。

应用实例一

保持环境温度不变，在V_ref＜V_p条件下，当保持直流偏置电压V_ref不变时，材料疲劳或者是器件中的残余应力会导致可动梳齿50在静电力下朝固定梳齿40的运动位移x发生变化。因此，当沿着敏感质量10轴向的方向上没有加速度输入时，在可动梳齿50和第一固定梳齿401(第二固定梳齿402)之间施加一直流偏置电压V_ref＜V_p，同时保持可动梳齿50和第二固定梳齿402(或者第一固定梳齿401)之间的电势为零，则可动梳齿50在V_ref所产生的静电力作用下，在平面内朝固定梳齿40运动，当可动梳齿50在静电力作用下达到稳定状态时，通过监控测量可动梳齿50在平面内的运动位移x，可获得微结构材料疲劳状态信息或者是器件中的残余应力信息，这是因为在固定的直流偏置电压V_ref下，运动位移x是一个对材料机械性能敏感的参数，当梳齿式微结构材料机械加速度计中微结构材料的疲劳状态或者残余应力发生变化时，运动位移x也会随着变化。在梳齿式微结构材料机械加速度计经受振动、冲击后，又或者是进行了循环运动之后，重新选择直流偏置电压施加、测量可动梳齿50的运动位移x，多次测量后对运动位移进行对比分析，即可获得其疲劳状态或残余应力的变化信息。

可动梳齿50在平面内的运动位移x可通过目前已有的MEMS微结构平面运动测量方法来完成，例如使用Polytec公司的显微式激光测振仪MSA-500的面内运动测试模块，其面内运动分辨率可达1nm，能够实现对MEMS微结构平面运动的快速、精确的测量。

其具体测量步骤概括如下。

①保持环境温度不变；

②确定闭合电压V_p。V_p可通过式(2)计算而得到，也可通过试验方法得到：在可动梳齿50和第一固定梳齿401(或者第二固定梳齿402)之间进行电压扫描，同时保持可动梳齿50和第二固定梳齿402(或者第一固定梳齿401)之间的电势为零，并监测可动梳齿50和固定梳齿40之间的电流，当电流出现陡增时，对应的可动梳齿50和固定梳齿40之间的电压为V_p；

③选取直流偏置电压V_ref，使V_ref＜V_p；

④施加直流偏置电压V_ref。在可动梳齿50和第一固定梳齿401(或者第二固定梳齿402)之间施加一直流偏置电压V_ref＜V_p，同时保持可动梳齿50和第二固定梳齿402(或者第一固定梳齿401)之间的电势为零。

⑤监测可动梳齿50在平面内的运动位移x₁；

⑥结构经受振动、冲击后，或者是可动梳齿50进行循环运动之后，重复步骤⑤，获得可动梳齿50在平面内的运动位移x₂、x₃、x₄......x_n。

通过对比x₁、x₂、x₃、x₄......x_n可获得梳齿式微结构材料机械加速度计中疲劳状态或者残余应力的变化信息。

为了分别分析材料疲劳和残余应力对平面内的运动位移x的影响，可先保持其中一个参数为恒量，改变另外一个参数，监控测量移动电极相对应的平面内的运动位移x变化，则可分别分析材料疲劳和残余应力对平面内的运动位移x的影响。

如果保持其它条件不变，只改变加速度计的环境温度，同时监测平面内的运动位移x的变化，则可获得热应力的变化信息。

应用实例二

如图2所示RF MEMS开关，该开关包括一个输入电极60(相当于移动电极)、输出电极70和偏置电极80(相当于固定电极)，输入电极60与偏置电极80之间的闭合电压为V_p。当在输入电极60和偏置电极80之间施加直流偏置电压V_ref，并使V_ref＞V_p，则可使输入电极60与输出电极70发生接触，形成电通路，撤掉直流偏置电压V_ref，则输入电极60与输出电极70分离，实现物理隔离，通过以上方法实现开关功能。

保持环境温度不变，在输入电极60和偏置电极80之间施加直流偏置电压V_ref，并使V_ref＜V_p，同时监测输入电极60在垂直方向上的位移，多次选择、加载直流偏置电压V_ref，并测量输入电极60的运动位移，比较输入电极60的运动位移则可获得输入电极60中的疲劳状态和残余应力的变化信息。

开关输入电极60在垂直方向上的位移可通过显微式激光测振仪的面外运动测试模块来实现，例如使用Polytec公司的显微式激光测振仪MSA-500的面外运动测试模块，其面外运动分辨率可达0.1pm/(Hz)^1/2。

下面对本实施例的优点或原理进行说明。

微结构材料中的移动电极与固定电极之间施加一直流偏置电压，该直流偏置电压小于移动电极与固定电极之间的闭合电压，因此，直流偏置电压的施加不会导致移动电极与固定电极的闭合接触，但会引起移动电极的运动，通过监测移动电极在平面内的运动位移，可实现对微结构材料机械性能退化的精确监测，这是因为，移动电极的运动位移是与器件机械结构的机械强度相关的，在固定的偏置电压的作用下，运动位移是一个对材料机械性能敏感的参数，机械性能的变化会引起移动电极运动位移的变化。本技术方案仅通过监测移动电极的面内/面外运动位移就可实现，测量效率高，同时，基于目前已有的微结构材料面内/面外运动测量方法，可以实现对移动电极面内/面外运动位移的高精度测量。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种微结构材料机械性能退化检测方法，其特征在于，包括以下步骤，

保持环境温度不变，确定固定电极与移动电极之间的闭合电压；

选取直流偏置电压，使得直流偏置电压小于闭合电压，并将该直流偏置电压施加于固定电极与移动电极之间，待移动电极在静电力的作用下达到平衡后，监控测量移动电极在平面内的运动位移；

在微结构材料经受振动、冲击或进行循环运动后，监控测量移动电极在平面内的运动位移；

重复上述步骤，比较移动电极在平面内的运动位移可获得微结构材料的疲劳状态或残余应力的变化信息。

2.根据权利要求1所述的微结构材料机械性能退化检测方法，其特征在于，所述闭合电压的测量步骤如下，

在移动电极与固定电极之间进行电压扫描，同时检测移动电极与固定电极之间的电流，当电流出现剧烈增加时，则对应的电压为闭合电压。

3.根据权利要求1所述的微结构材料机械性能退化检测方法，其特征在于，所述闭合电压为V_p

$V_p=\sqrt{\frac{{8k}_m}{{27\mathrm{\ϵ}}_{{\mathrm{\ϵ}}_0}A}{d}_0^3}$

其中，ε₀为真空介电常数，ε为介质的相对介电常数，A为电容极板面积，d₀为电容极板的初始间距，k_m为微结构材料的机械刚度。

4.一种微结构材料机械性能退化检测装置，其特征在于，包括直流偏置电压发生器，所述直流偏置电压发射器上分别设置固定电极接口和移动电极接口，所述固定电极接口连接至固定电极，所述移动电极接口与所述移动电极相连接。