CN109489605B - 平行可动电极厚度测量方法、装置及系统 - Google Patents

平行可动电极厚度测量方法、装置及系统 Download PDF

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CN109489605B CN201811250579.1A CN201811250579A CN109489605B CN 109489605 B CN109489605 B CN 109489605B CN 201811250579 A CN201811250579 A CN 201811250579A CN 109489605 B CN109489605 B CN 109489605B
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Abstract

本申请涉及一种平行可动电极厚度测量方法、装置及系统。所述方法包括：获取静电换能器在各偏置电压下分别对应的极间距离；极间距离为静电换能器的可动电极的第一端面至固定电极的第一端面的距离；可动电极的第一端面远离固定电极设置；固定电极的第一端面靠近可动电极设置；根据各偏置电压和各极间距离，得到可动电极的厚度，因此，通过平行可动电极厚度测量方法建立偏置电压、电极间距与可动电极的厚度之间的关系，避免了传统技术直接采用仪器测量带来的误差，提高了测量平行结构静电换能器的可动电极的厚度的精度，进而为分析静电换能器的性能提高良好的支持。

Description

平行可动电极厚度测量方法、装置及系统
技术领域
本申请涉及微机电系统技术领域，特别是涉及一种平行可动电极厚度测量方法、装置及系统。
背景技术
静电换能器是由两个可以存储相反电荷的导体构成的电容器。按功能，静电换能器可分为传感器与执行器。在MEMS(Micro Electro Mechanical Systems，微机电系统)领域，由于很多器件通常具有较大的表面积/体积比以及非常小的质量，使得静电力成为MEMS中常见的一种驱动方式，从而静电换能器在该领域得到广泛的应用。其中，常见的静电MEMS器件包括RF(Radio Frequency、无源器件)MEMS开关、MEMS微镜、MEMS惯性器件等。
在静电换能器的结构中，可动电极的厚度是静电换能器的结构设计及性能测试分析中的关键参数之一，因此，准确的测量静电换能器的可动电极的厚度对分析静电换能器的性能以及研究静电换能器的结构起到至关重要的作用。
然而，在实现过程中，发明人发现传统技术中至少存在如下问题：传统的测量技术无法准确地测量出静电换能器的可动电极的厚度。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供的平行可动电极厚度测量方法、装置及系统。
一种平行可动电极厚度测量方法，方法包括以下步骤：
获取静电换能器在各偏置电压下分别对应的极间距离；极间距离为静电换能器的可动电极的第一端面至固定电极的第一端面的距离；可动电极的第一端面远离固定电极设置；固定电极的第一端面靠近可动电极设置；
根据各偏置电压和各极间距离，得到可动电极的厚度。
在其中一个实施例中，偏置电压小于静电换能器的临界电压。
在其中一个实施例中，获取静电换能器在各偏置电压下分别对应的极间距离的步骤包括：
获取静电换能器在第一偏置电压下的第一极间距离、在第二偏置电压下的第二极间距离以及在第三偏置电压下的第三极间距离；
根据各偏置电压和各极间距离，得到可动电极的厚度的步骤中：
根据第一偏置电压、第二偏置电压、第一极间距离、第二极间距离以及第三极间距离，得到可动电极的厚度。
在其中一个实施例中，第一偏置电压、第二偏置电压或第三偏置电压为零电压。
在其中一个实施例中，基于以下公式获取厚度：
Figure BDA0001841592090000021
其中，V1表示第一偏置电压；V2表示第二偏置电压；第三偏置电压为零电压；D1表示第一极间距离；D2表示第二极间距离；D3表示第三极间距离；t表示厚度。
一种平行可动电极厚度测量装置，装置包括：
数据获取模块，用于获取静电换能器在各偏置电压下分别对应的极间距离；极间距离为静电换能器的可动电极的第一端面至固定电极的第一端面的距离；可动电极的第一端面远离固定电极设置；固定电极的第一端面靠近可动电极设置；
厚度获取模块，用于根据各偏置电压和各极间距离，得到可动电极的厚度。
一种平行可动电极厚度测量系统，系统包括计算机设备；所述计算机设备用于实现以下步骤：
获取静电换能器在各偏置电压下分别对应的极间距离；极间距离为静电换能器的可动电极的第一端面至固定电极的第一端面的距离；可动电极的第一端面远离固定电极设置；固定电极的第一端面靠近可动电极设置；
根据各偏置电压和各极间距离，得到可动电极的厚度。
在其中一个实施例中，还包括激光共聚显微镜以及电源设备；激光共聚显微镜、电源设备连接计算机设备；
计算机设备用于向电源设备发送控制指令，以使电源设备根据控制指令向静电换能器施加各偏置电压；
激光共聚显微镜用于采集各极间距离，并将各极间距离传输给计算机设备。
在其中一个实施例中，计算机设备控制调整激光共聚显微镜的放大倍率，以使激光共聚显微镜清晰拍摄静电换能器。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
获取静电换能器在各偏置电压下分别对应的极间距离；极间距离为静电换能器的可动电极的第一端面至固定电极的第一端面的距离；可动电极的第一端面远离固定电极设置；固定电极的第一端面靠近可动电极设置；
根据各偏置电压和各极间距离，得到可动电极的厚度。
上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点和有益效果：
通过获取静电换能器在各偏置电压下分别对应的极间距离，根据各偏置电压和各极间距离，得到可动电极的厚度，其中，极间距离为静电换能器的可动电极的第一端面至固定电极的第一端面的距离；可动电极的第一端面远离固定电极设置；固定电极的第一端面靠近可动电极设置，因此，通过平行可动电极厚度测量方法建立偏置电压、电极间距与可动电极的厚度之间的关系，避免了传统技术直接采用仪器测量带来的误差，提高了测量平行结构静电换能器的可动电极的厚度的精度，进而为分析静电换能器的性能提高良好的支持。
附图说明
图1为一个实施例中平行可动电极厚度测量方法的流程示意图；
图2为一个实施例中静电换能器的结构示意图；
图3为一个实施例中平行可动电极厚度测量系统的结构示意图；
图4为一个实施例中计算机设备的内部结构图；
图5为一个实施例中平行可动电极厚度测量装置的结构框图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
为了解决传统的测量技术无法准确地测量出测量静电换能器的可动电极的厚度的问题，在一个实施例中，如图1所示，提供了一种平行可动电极厚度测量方法，包括以下步骤：
步骤S110，获取静电换能器在各偏置电压下分别对应的极间距离；极间距离为静电换能器的可动电极的第一端面至固定电极的第一端面的距离；可动电极的第一端面远离固定电极设置；固定电极的第一端面靠近可动电极设置。
其中，静电换能器为平行结构的静电换能器，即静电换能器的可动电极和固定电极为平行板，且可动电极与固定电极平行间隔设置。静电换能器在被施加偏置电压后，静电换能器的可动电极会向靠近固定电极的方向位移。极间距离为静电换能器在偏置电压下，其可动电极达到最大位移量时，可动电极的第一端面至固定电极的第一端面的距离。在一个示例中，如图2所示，展示了一种静电换能器，极间距离为可动电极21的第一端面至固定电极23的第一端面的距离,其中，可动电极的第一端面远离固定电极设置；固定电极的第一端面靠近可动电极设置。
需要说明的是，至少要采集静电换能器在三个不同的偏置电压下对应的极间距离。进一步的，偏置电压小于静电换能器的临界电压，其中，临界电压为使可动电极接触固定电极的最小电压。
步骤S120，根据各偏置电压和各极间距离，得到可动电极的厚度。
具体的，以图2所示的静电换能器为例详细地说明获取可动电极的厚度，静电换能器在施加某个偏置电压时，静电换能器的可动电极和固定电极之间产生静电力，基于以下公式获取静电力：
Figure BDA0001841592090000051
其中，Fe表示静电力；ε表示固定电极可可动电极之间的填充材料的介电常数；A表示可动电极和固定电极之间相互重合的极板面积；g表示静电换能器在施加某个偏置电压时可动电极与固定电极的相邻两端面之间的间距。
需要说明的是，当偏置电压小于临界电压时，可动电极与固定电极的相邻两端面之间的间距g稳定在(
Figure BDA0001841592090000052
g0)区间内，如图2所示，g0表示静电换能器在未施加偏置电压时可动电极与固定电极的相邻两端面之间的间距，也可称为初始间距，g0为极间距离与可动电极的厚度的差值；当偏置电压大于临界电压时，可动电极被下拉至于固定电极接触。
将g＝D-t代入(1)式，需要说明的是，D表示极间距离，t表示可动电极的厚度，因此，获取静电力的公式可为：
Figure BDA0001841592090000061
在可动电极向固定电极位移时，用于悬挂可动电极的部件(例如，弹簧)会产生机械回复力，基于以下公式获取机械回复力：
|Fm|＝k(g0-g) (3)
其中，Fm表示机械回复力；g0表示初始间距。
将g＝D-t代入(3)式，可得：
|Fm|＝k(g0-D+t) (4)
在偏置电压小于临界电压时，|Fe|＝|Fm|，可得：
Figure BDA0001841592090000062
采集多个不同偏置电压下的极间距离，并通过公式(5)可得到可动电极的厚度。
在一个具体的实施例中，
获取静电换能器在第一偏置电压下的第一极间距离、在第二偏置电压下的第二极间距离以及在第三偏置电压下的第三极间距离；
根据各偏置电压和各极间距离，得到可动电极的厚度的步骤中：
根据第一偏置电压、第二偏置电压、第一极间距离、第二极间距离以及第三极间距离，得到可动电极的厚度。
具体的，利用公式(5)可知，在第一偏置电压的情况下：
Figure BDA0001841592090000071
其中，V1表示第一偏置电压；D1表示第一极间距离。
在第二偏置电压的情况下：
Figure BDA0001841592090000072
其中，V2表示第二偏置电压；D2表示第二极间距离。
在第三偏置电压的情况下：
Figure BDA0001841592090000073
其中，V3表示第三偏置电压；D3表示第三极间距离。
上述公式(6)减去公式(8)得：
Figure BDA0001841592090000074
公式(7)减去公式(8)得：
Figure BDA0001841592090000075
再由公式(9)和公式(10)得：
Figure BDA0001841592090000076
即可根据公式(11)得到可动电极的厚度。
为了简化获取可动电极的厚度的过程，可令第一偏置电压、第二偏置电压或第三偏置电压为零电压。
在又一个具体的实施例中，以第三偏置电压为零电压为例进行说明，基于以下公式获取厚度：
Figure BDA0001841592090000081
其中，V1表示第一偏置电压；V2表示第二偏置电压；第三偏置电压为零电压；D1表示第一极间距离；D2表示第二极间距离；D3表示第三极间距离；t表示厚度。
需要说明的是，当第三偏置电压为零电压时，可动电极与固定电极的静电力为零，即可得：
Figure BDA0001841592090000082
由公式(12)可得：
Figure BDA0001841592090000083
其中，
Figure BDA0001841592090000084
将第三偏置电压设置为零电压，可简化平行可动电极厚度测量方法的方法步骤，可减少一次对静电换能器施加电压的步骤，提高了获取可动电极的厚度的效率。
本申请平行可动电极厚度测量方法的各实施例，通过获取静电换能器在各偏置电压下分别对应的极间距离，根据各偏置电压和各极间距离，得到可动电极的厚度，其中，极间距离为静电换能器的可动电极的第一端面至固定电极的固定电极的第一端面的距离；第一端面远离固定电极设置；固定电极的第一端面靠近可动电极设置，因此，通过平行可动电极厚度测量方法建立偏置电压、电极间距与可动电极的厚度之间的关系，避免了传统技术直接采用仪器测量带来的误差，提高了测量平行结构静电换能器的可动电极的厚度的精度，进而为分析静电换能器的性能提高良好的支持。
应该理解的是，虽然图1的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
在一个实施例中，如图3所示，还提供了一种平行可动电极厚度测量系统，系统包括计算机设备310；所述计算机设备310用于实现以下步骤：
获取静电换能器在各偏置电压下分别对应的极间距离；极间距离为静电换能器的可动电极的第一端面至固定电极的第一端面的距离；可动电极的第一端面远离固定电极设置；固定电极的第一端面靠近可动电极设置；
根据各偏置电压和各极间距离，得到可动电极的厚度。
其中，在一个示例中计算机设备可以是终端，其内部结构图可以如图4所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口、显示屏和输入装置。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的网络接口用于连接电源设备和激光共聚显微镜。该计算机程序被处理器执行时以实现一种平行可动电极厚度测量方法。该计算机设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。
本领域技术人员可以理解，图4中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
在一个具体的实施例中，如图3所示，平行可动电极厚度测量系统还包括激光共聚显微镜320以及电源设备330；激光共聚显微镜320、电源设备330连接计算机设备310；
计算机设备310用于向电源设备330发送控制指令，以使电源设备330根据控制指令向静电换能器施加各偏置电压；
激光共聚显微镜320用于采集各极间距离，并将各极间距离传输给计算机设备310。
进一步的，计算机设备310控制调整激光共聚显微镜320的放大倍率，以使激光共聚显微镜清晰拍摄静电换能器。
在具体的操作过程中，在采集电极间电流和电极间距之前，通过计算机设备控制调整激光共聚显微镜的放大倍率，以使激光共聚显微镜能够清晰地拍摄静电换能器，从而能够准确地获取极间距离。
在一个示例中，在采集电极间电流和电极间距之前，还包括通过计算机设备控制电源设备对静电换能器进行上电测试，即通过电源设备给静电换能器上电，同时利用电流测试仪器(例如，电源表)监测电极间电流，以检测静电换能器是否能够正常工作。此外，计算机设备通过电流测试仪器获取静电换能器在工作电压范围内的最大电流值；最大电流值用于配置为电流测试仪器的过流保护值。具体的，通过计算机设备控制电源设备在静电换能器的工作电压范围内逐渐升高电压，利用电流测试仪器观察电极间电流的变化，记录期间电极间电流的最大值，以在电流测试仪器设置相应的过流保护，避免电流过大，避免电流过大，烧坏器件。
本申请平行可动电极厚度测量系统的各实施中，采用计算机设备控制电源设备为静电换能器施加偏置电压，利用激光共聚显微镜能够准确地采集到获取场厚度所需的数据，并将采集到的数据传输给计算机设备，让计算机设备分析处理获取到的数据，从而得到可动电极的厚度，解决了传统技术无法准确地测量出测量静电换能器的可动电极的厚度，此外，本申请系统结构简单，便于系统的搭建。
在一个实施例中，如图5所示，还提供了一种平行可动电极厚度测量装置，装置包括：
数据获取模块510，用于获取静电换能器在各偏置电压下分别对应的极间距离；极间距离为静电换能器的可动电极的第一端面至固定电极的第一端面的距离；可动电极的第一端面远离固定电极设置；固定电极的第一端面靠近可动电极设置；
厚度获取模块520，用于根据各偏置电压和各极间距离，得到可动电极的厚度。
关于平行可动电极厚度测量装置的具体限定可以参见上文中对于平行可动电极厚度测量方法的限定，在此不再赘述。上述平行可动电极厚度测量装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
获取静电换能器在各偏置电压下分别对应的极间距离；极间距离为静电换能器的可动电极的第一端面至固定电极的第一端面的距离；可动电极的第一端面远离固定电极设置；固定电极的第一端面靠近可动电极设置；
根据各偏置电压和各极间距离，得到可动电极的厚度。
在一个实施例中，计算机程序被处理器执行时还实现以下步骤：
偏置电压包括第一偏置电压、第二偏置电压以及第三偏置电压；
获取静电换能器在第一偏置电压下的第一极间距离，在第二偏置电压下的第二极间距离以及在第三偏置电压下的第三极间距离；
根据第一偏置电压、第二偏置电压、第一极间距离、第二极间距离以及第三极间距离，得到可动电极的厚度。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，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，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种平行可动电极厚度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取静电换能器在各偏置电压下分别对应的极间距离；所述极间距离为所述静电换能器的可动电极的第一端面至固定电极的第一端面的距离；所述可动电极的第一端面远离所述固定电极设置；所述固定电极的第一端面靠近所述可动电极设置；其中，各偏置电压包括第一偏置电压、第二偏置电压和第三偏置电压V3；各极间距离包括与所述第一偏置电压对应的第一极间距离、与所述第二偏置电压对应的第二极间距离和与所述第三偏置电压对应的第三极间距离；
根据各偏置电压和各极间距离，得到所述可动电极的厚度；其中，根据各偏置电压和各极间距离，得到所述可动电极的厚度的步骤中，基于以下公式得到所述可动电极的厚度：
Figure FDA0002523425210000011
其中，V1为所述第一偏置电压；V2为所述第二偏置电压；V3为所述第三偏置电压；D1为所述第一极间距离；D2为所述第二极间距离；D3为所述第三极间距离；t为所述可动电极的厚度。
2.根据权利要求1所述的平行可动电极厚度测量方法，其特征在于，所述各偏置电压小于所述静电换能器的临界电压。
3.根据权利要求2所述的平行可动电极厚度测量方法，其特征在于，所述第三偏置电压为零电压，获取静电换能器在各偏置电压下分别对应的极间距离的步骤包括：
获取所述静电换能器在第一偏置电压下的第一极间距离、在第二偏置电压下的第二极间距离以及在第三偏置电压下的第三极间距离；
根据各所述偏置电压和各所述极间距离，得到所述可动电极的厚度的步骤中：
根据所述第一偏置电压、所述第二偏置电压、所述第一极间距离、所述第二极间距离以及所述第三极间距离，得到所述可动电极的厚度。
4.根据权利要求1所述的平行可动电极厚度测量方法，其特征在于，所述第一偏置电压、所述第二偏置电压或所述第三偏置电压为零电压。
5.根据权利要求4所述的平行可动电极厚度测量方法，其特征在于，所述第三偏置电压为零电压时，基于以下公式获取所述厚度：
Figure FDA0002523425210000021
6.一种平行可动电极厚度测量装置，其特征在于，所述装置包括：
数据获取模块，用于获取静电换能器在各偏置电压下分别对应的极间距离；所述极间距离为所述静电换能器的可动电极的第一端面至固定电极的第一端面的距离；所述可动电极的第一端面远离所述固定电极设置；所述固定电极的第一端面靠近所述可动电极设置；其中，各偏置电压包括第一偏置电压、第二偏置电压和第三偏置电压V3；各极间距离包括与所述第一偏置电压对应的第一极间距离、与所述第二偏置电压对应的第二极间距离和与所述第三偏置电压对应的第三极间距离；
厚度获取模块，用于根据各偏置电压和各极间距离，得到所述可动电极的厚度；其中，根据各偏置电压和各极间距离，得到所述可动电极的厚度的步骤中，基于以下公式得到所述可动电极的厚度：
Figure FDA0002523425210000022
其中，V1为所述第一偏置电压；V2为所述第二偏置电压；V3为所述第三偏置电压；D1为所述第一极间距离；D2为所述第二极间距离；D3为所述第三极间距离；t为所述可动电极的厚度。
7.一种平行可动电极厚度测量系统，其特征在于，所述系统包括计算机设备；所述计算机设备用于实现权利要求1至5中任意一项所述方法的步骤。
8.根据权利要求7所述的平行可动电极厚度测量系统，还包括激光共聚显微镜以及电源设备；所述激光共聚显微镜、所述电源设备连接所述计算机设备；
所述计算机设备用于向所述电源设备发送控制指令，以使所述电源设备根据所述控制指令向所述静电换能器施加各偏置电压；
所述激光共聚显微镜用于采集各极间距离，并将各极间距离传输给所述计算机设备。
9.根据权利要求8所述的平行可动电极厚度测量系统，其特征在于，
所述计算机设备用于控制调整所述激光共聚显微镜的放大倍率。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至5中任意一项所述的方法的步骤。
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