CN109596896A - 场增强因子提取方法、装置、系统以及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种场增强因子提取方法、装置、系统以及存储介质。所述方法包括：获取静电换能器在各形变时刻的电极间距以及对应的电极间电流；形变时刻为静电换能器的可动电极在偏置电压下形变过程中的时刻；对根据各所述电极间距和各所述电极间电流得到的线性关系进行拟合，得到拟合关系，并根据拟合关系，得到静电换能器的场致电子发射效应的场增强因子，通过场增强因子提取方法能够充分考虑静电换能器在施加偏置电压后，其电极会发生形变，电极间距在形变过程中会逐渐变小的情况，避免了将电极间距当作固定值而带来的误差，利用场增强因子提取方法获取到的场增强因子更符合静电换能器的实际工作情况，提高获取场增强因子的准确度。
Description
技术领域
本申请涉及微机电系统技术领域，特别是涉及一种场增强因子提取方法、装置、系统以及存储介质。
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。
在静电换能器工作过程中，由于加工制造技术的不完美，静电换能器的电极表面存在微凸起，导致在静电换能器两个电极之间施加电压时，会发生场致电子发射效应，而且，微凸起附近的电场存在放大效应，通常采用场增强因子β表征放大效应的强弱，场增强因子β越大说明微凸起越严重。在另一个应用中，还可通过场增强因子β来表征静电换能器的放电规律。
因此，获取场增强因子β对应研究静电换能器很重要，但是，在实现过程中，发明人发现传统技术中至少存在如下问题：传统技术获取的场增强因子β不准确。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种场增强因子提取方法、装置、系统以及存储介质。
一种场增强因子提取方法，方法包括：
获取静电换能器在各形变时刻的电极间距以及对应的电极间电流；形变时刻为静电换能器的可动电极在偏置电压下形变过程中的时刻；
对根据各所述电极间距和各所述电极间电流得到的线性关系进行拟合，得到拟合关系；并根据拟合关系，得到静电换能器的场致电子发射效应的场增强因子。
在其中一个实施例中，根据各所述电极间距和各所述电极间电流得到的线性关系的步骤包括：
获取电极间电流的平方值与电极间距的乘积；
根据乘积的对数与电极间距，得到线性关系。
在其中一个实施例中，根据拟合关系，得到静电换能器的场致电子发射效应的场增强因子的步骤包括：
根据线性关系的斜率、偏置电压以及静电换能器的电极材料参数，得到场增强因子。
在其中一个实施例中，根据以下公式获取场增强因子：
其中，β表示场增强因子；B表示第一系数；表示静电换能器的电极材料参数；V表示偏置电压；k表示线性关系的斜率。
在其中一个实施例中，根据线性关系得到静电换能器的场致电子发射效应的场增强因子的步骤包括：
根据线性关系的截距、偏置电压以及静电换能器的电极面积，得到场增强因子。
在其中一个实施例中，根据以下公式获取场增强因子：
其中，β表示场增强因子；b表示线性关系的截距；D表示第二系数；V表示偏置电压；A表示静电换能器的电极面积。
一种场增强因子提取装置，装置包括：
数据获取模块，用于获取静电换能器在各形变时刻的电极间距以及对应的电极间电流；形变时刻为静电换能器的可动电极在偏置电压下形变过程中的时刻；
拟合关系获取模块，用于对根据各所述电极间距和各所述电极间电流得到的线性关系进行拟合，得到拟合关系；
增强因子获取模块，用于并根据拟合关系得到静电换能器的场致电子发射效应的场增强因子。
一种场增强因子提取系统，系统包括计算机设备；计算机设备用于实现以下步骤：
获取静电换能器在各形变时刻的电极间距以及对应的电极间电流；形变时刻为静电换能器的可动电极在偏置电压下形变过程中的时刻；
对根据各所述电极间距和各所述电极间电流得到的线性关系进行拟合，得到拟合关系，并根据拟合关系，得到静电换能器的场致电子发射效应的场增强因子。
在其中一个实施例中，还包括激光共聚显微镜；激光共聚显微镜连接计算机设备；
激光共聚显微镜用于采集静电换能器在各形变时刻的电极间距以及对应的电极间电流，并将电极间距和电极间电流传输给计算机设备。
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形变时刻的电极间距以及对应的电极间电流；形变时刻为静电换能器的可动电极在偏置电压下形变过程中的时刻；
对根据各所述电极间距和各所述电极间电流得到的线性关系进行拟合，得到拟合关系，并根据拟合关系，得到静电换能器的场致电子发射效应的场增强因子。
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形变时刻的电极间距以及对应的电极间电流；对根据各电极间距和各电极间电流得到的线性关系进行拟合，得到拟合关系；并根据拟合关系，得到静电换能器的场致电子发射效应的场增强因子，其中，形变时刻为静电换能器的可动电极在偏置电压下形变过程中的时刻，因此，通过场增强因子提取方法能够充分考虑静电换能器在施加偏置电压后，其电极会发生形变，电极间距在形变过程中会逐渐变小的情况，避免了将电极间距当作固定值而带来的误差，从而，利用场增强因子提取方法获取到的场增强因子更符合静电换能器的实际工作情况，提高获取场增强因子的准确度，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为一个实施例中场增强因子提取方法的流程示意图；
图2为一个实施例中RF MEMS开关的结构示意图；
图3为一个实施例中线性关系的拟合步骤的流程示意图；
图4为一个实施例中场增强因子提取系统的结构框图；
图5为一个实施例中计算机设备的内部结构图；
图6为一个实施例中场增强因子提取装置的结构框图。
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。
为了解决传统技术获取的场增强因子β不准确的问题，在一个实施例中，如图1所示，提供了一种场增强因子提取方法，以该方法应用于计算机设备为例进行说明，包括：
步骤S110，获取静电换能器在各形变时刻的电极间距以及对应的电极间电流；形变时刻为静电换能器的可动电极在偏置电压下形变过程中的时刻。
其中，电极间距为静电换能器的可动电极与固定电极之间的距离，具体的，电极间距为静电换能器的可动电极与固定电极之间相对的两个表面间的距离。进一步的，在一个示例中，利用激光共聚显微镜测量静电换能器的可动电极的上表面至固定电极的上表面的距离，并获取可动电极的厚度，将可动电极的上表面至固定电极的上表面的距离与可动电极的厚度作为电极间距。
电极间电流为在静电换能器上施加偏置电压后因场致电子发射效应引起的电流，随着偏置电压的增大，电极间电流也随之增大。在对静电换能器施加偏置电压后，在电场的作用下，静电换能器的可动电极与固定电极相互吸引，可动电极发生形变向固定电极靠近，具体的，可动电极的形变过程的起始时刻为对静电换能器施加偏置电压的时刻，可动电极的形变过程的终止时刻为可动电极在偏置电压下发生最大形变的时刻，其中，获取可动电极在形变过程中的不同时刻的电极间距和电极间电流，由于可动电极在形变过程中，电极间距在不断的减小，电极间电流不断增大。在一个示例中，预设时间间隔采集在可动电极形变过程中的电极间距和电极间电流。
在一个具体的实施例中，激光共聚显微镜采集电极间电流和电极间距，并将采集电极间电流和电极间距传输给计算机设备。
为方便理解上述电极间距以及电极间电流，现以静电换能器为RF MEMS开关，进行详细说明：
如图2所示，展示了一种RF MEMS开关。RF MEMS开关为三端结构，包括输入电极21、输出电极22以及偏置电极(也称固定电极)23，RF MEMS开关的工作原理为：在输入电极21和偏置电极23之间施加偏置电压，若偏置电压大于输入电极21的下拉电压，则输入电极21会被下拉到与输出电极22接触，形成射频信号的传输路径，若偏置电压小于输入电极21的下拉电压，则输入电极21与输出电极22不接触，形成开路。当输入电极21在偏置电压作用下与输出电极22相接触时，输入电极21与偏置电极22之间是没有电连接，因此，理想情况下，输入电极21与偏置电极22之间的电阻为无穷大，其电流应该仅有背景噪声电流。然而，实际上由于输入电极21的表面与偏置电极23的表面并不是理想的光滑平整，而是存在不同大小的微凸起，因此，在偏置电压的作用下，微凸起处的局部电场将会被放大而可能引起场致电子发射，进而导致输入电极21与偏置电极23之间出现放电电流，即为电极间电流。如图2所示，电极间距为输入电极21的下表面至偏置电极的上表面之间的距离。
步骤S120，对根据各电极间距和各电极间电流得到的线性关系进行拟合，得到拟合关系；并根据拟合关系，得到静电换能器的场致电子发射效应的场增强因子。
其中，根据步骤S110获取的各电极间距和各电极间电流得到线性关系，其中，线性关系为电极间距与电极间电流之间的线性关系。
在一个具体的实施例中，如图3所示，根据各所述电极间距和各所述电极间电流得到的线性关系的步骤包括：
步骤S310，获取电极间电流的平方值与电极间距的乘积；
步骤S320，根据乘积的对数与电极间距，得到线性关系。
具体的，基于以下公式得到线性关系：
ln(Id2)＝b-kd
其中，I表示电极间电流；d表示电极间距；b表示线性关系的截距；k表示所述线性关系的斜率。
然后通过上述线性关系获取静电换能器的场致电子发射效应的场增强因子。在一个具体的实施例中，根据线性关系得到静电换能器的场致电子发射效应的场增强因子的步骤包括：
根据线性关系的斜率、偏置电压以及静电换能器的电极材料参数，得到场增强因子。
在一个示例中，根据以下公式获取场增强因子：
其中，β表示场增强因子；B表示第一系数；表示静电换能器的电极材料参数；V表示偏置电压；k表示线性关系的斜率。需要说明的是，第一系数为不包含变量的系统。
在另一个具体的实施例中，根据线性关系得到静电换能器的场致电子发射效应的场增强因子的步骤包括：
根据线性关系的截距、偏置电压以及静电换能器的电极面积，得到场增强因子。
在一个实施例中，根据以下公式获取场增强因子：
其中，β表示场增强因子；b表示线性关系的截距；D表示第二数；V表示偏置电压；A表示静电换能器的电极面积。需要说明的是，第二系数为不包含变量的系统。
假设场发射产生的电流密度为J，可动电极与固定电极之间的电场为E，则由Fowler-Nordheim方程有：
其中，表示用于制造静电换能器的金属材料的功函数，考虑局部电场的放大效应结构的具体参数，则J和E可分别表示为：
J＝I/A (2)
其中，I为电流，A为上下电极的相对面积。
E＝β(V/d) (3)
将方程(2)和(3)代入(1)可得：
对方程(4)两边取对数，则可以看出，ln(I/V2)与1/V呈线性关系，且其斜率k为在y轴的截距b为因此，如果能够保持两电极之间的间距固定不变的话，通过测试不同偏压下两电极之间的放电电流，则由ln(I/V2)与1/V之间的关系图，可以提取出斜率和截距
本申请场增强因子提取方法的各实施例中，通过获取静电换能器在各形变时刻的电极间距以及对应的电极间电流；对根据各电极间距和各电极间电流得到的线性关系进行拟合，得到拟合关系；并根据拟合关系，得到静电换能器的场致电子发射效应的场增强因子，其中，形变时刻为静电换能器的可动电极在偏置电压下形变过程中的时刻，因此，通过场增强因子提取方法能够充分考虑静电换能器在施加偏置电压后，其电极会发生形变，电极间距在形变过程中会逐渐变小的情况，避免了将电极间距当作固定值而带来的误差，从而，利用场增强因子提取方法获取到的场增强因子更符合静电换能器的实际工作情况，提高获取场增强因子的准确度，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和3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和3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4所示，还提供了一种场增强因子提取系统，系统包括计算机设备410；计算机设备410用于实现以下步骤：
获取静电换能器在各形变时刻的电极间距以及对应的电极间电流；形变时刻为静电换能器的可动电极在偏置电压下形变过程中的时刻；
对根据各电极间距和各电极间电流得到的线性关系进行拟合，得到拟合关系；并根据拟合关系，得到静电换能器的场致电子发射效应的场增强因子。
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5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与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种场增强因子提取方法。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5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。
进一步的，如图4所示，场增强因子提取系统还包括激光共聚显微镜420以及电流采集设备430；激光共聚显微镜420、电流采集设备430分别连接计算机设备410；
激光共聚显微镜420用于采集静电换能器在各形变时刻的电极间距，并将电极间距传输给计算机设备410；
电流采集设备430用于采集静电换能器在各形变时刻的电极间电流，并将电极间电流传输给计算机设备410。。
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电极间距。
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流采集设备对静电换能器进行上电测试，即对静电换能器施加初始偏置电压，同时监测电极间电流。
在一个具体的实施中，计算机设备通过电流采集设备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采集设备的过流保护值。具体的，通过计算机设备控制电流采集设备在静电换能器的工作电压范围内逐渐升高电压的过程中，观察电极间电流的变化，记录期间电极间电流的最大值，以在激光共聚显微镜上的电流测量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。在一个示例中，电流采集设备可为电源表。
本申请场增强因子提取系统各实施例中，激光共聚显微镜能够准确地采集到获取场增强因子所需的数据，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，从而提取场增强因子，解决了传统技术无法准确提取场增强因子的问题。
在一个实施例中，如图6所示，提供了一种场增强因子提取装置，包括：
数据获取模块610，用于获取静电换能器在各形变时刻的电极间距以及对应的电极间电流；形变时刻为静电换能器的可动电极在偏置电压下形变过程中的时刻；
拟合关系获取模块620，用于对根据各所述电极间距和各所述电极间电流得到的线性关系进行拟合，得到拟合关系；
增强因子获取模块630，用于根据拟合关系，得到静电换能器的场致电子发射效应的场增强因子。
关于场增强因子提取装置的具体限定可以参见上文中对于场增强因子提取方法的限定，在此不再赘述。上述场增强因子提取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形变时刻的电极间距以及对应的电极间电流；形变时刻为静电换能器的可动电极在偏置电压下形变过程中的时刻；
对根据各所述电极间距和各所述电极间电流得到的线性关系进行拟合，得到拟合关系，并根据拟合关系得，到静电换能器的场致电子发射效应的场增强因子。
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：
获取电极间电流的平方值与电极间距的乘积；
根据乘积的对数与电极间距，得到线性关系。
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：
根据线性关系的斜率、偏置电压以及静电换能器的电极材料参数，得到场增强因子。
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：
根据线性关系的截距、偏置电压以及静电换能器的电极面积，得到场增强因子。
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)
1.一种场增强因子提取方法，其特征在于，所述方法包括：
获取静电换能器在各形变时刻的电极间距以及对应的电极间电流；所述形变时刻为所述静电换能器的可动电极在偏置电压下形变过程中的时刻；
对根据各所述电极间距和各所述电极间电流得到的线性关系进行拟合，得到拟合关系；并根据所述拟合关系，得到所述静电换能器的场致电子发射效应的场增强因子。
2.根据权利要求1所述的场增强因子提取方法，其特征在于，根据各所述电极间距和各所述电极间电流得到的线性关系的步骤包括：
获取所述电极间电流的平方值与所述电极间距的乘积；
根据所述乘积的对数与所述电极间距，得到所述线性关系。
3.根据权利要求1或2所述的场增强因子提取方法，其特征在于，根据所述拟合关系，得到所述静电换能器的场致电子发射效应的场增强因子的步骤包括：
根据所述线性关系的斜率、所述偏置电压以及所述静电换能器的电极材料参数，得到所述场增强因子。
4.根据权利要求3所述的场增强因子提取方法，其特征在于，根据以下公式获取所述场增强因子：
其中，β表示所述场增强因子；B表示第一系数；表示所述静电换能器的电极材料参数；V表示所述偏置电压；k表示线性关系的斜率。
5.根据权利要求1或2所述的场增强因子提取方法，其特征在于，根据所述线性关系得到所述静电换能器的场致电子发射效应的场增强因子的步骤包括：
根据所述线性关系的截距、所述偏置电压以及所述静电换能器的电极面积，得到所述场增强因子。
6.根据权利要求5所述的场增强因子提取方法，其特征在于，根据以下公式获取所述场增强因子：
其中，β表示所述场增强因子；b表示所述线性关系的截距；D表示第二系数；V表示所述偏置电压；A表示所述静电换能器的电极面积。
7.一种场增强因子提取装置，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形变时刻的电极间距以及对应的电极间电流；所述形变时刻为所述静电换能器的可动电极在偏置电压下形变过程中的时刻；
拟合关系获取模块，用于对根据各所述电极间距和各所述电极间电流得到的线性关系进行拟合，得到拟合关系；
增强因子获取模块，用于根据所述拟合关系得到所述静电换能器的场致电子发射效应的场增强因子。
8.一种场增强因子提取系统，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6中任一项所述方法的步骤。
9.根据权利要求7所述的场增强因子提取系统，其特征在于，还包括激光共聚显微镜以及电流采集设备；所述激光共聚显微镜、所述电流采集设备连接所述计算机设备；
所述激光共聚显微镜用于采集静电换能器在各形变时刻的电极间距，并将所述电极间距传输给所述计算机设备；
所述电流采集设备用于采集所述静电换能器在各形变时刻的电极间电流，并将所述电极间电流传输给所述计算机设备。
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6中任一项所述的方法的步骤。
Priority Applications (1)
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| US4484106A (en) * | 1982-05-14 | 1984-11-20 | Canadian Patents & Development Limited | UV Radiation triggered rail-gap switch |
| US4534741A (en) * | 1984-01-05 | 1985-08-13 | General Electric Company | Method for assessing the dielectric state of a high voltage vacuum device using radiation generated by field emission current |
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-
2018
- 2018-10-25 CN CN201811250429.0A patent/CN109596896B/zh active Active
Patent Citations (5)
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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