CN109738093A - 用于微机电器件应力检测的片上谐振梁结构及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于微机电器件应力检测的片上谐振梁结构及检测方法，其包括微机电器件和谐振梁；微机电器件包括由上向下依次设置的结构层、锚点层和基片层；谐振梁采用U型结构，其设置在结构层和基片层之间，U型结构的顶部和底部的两端通过3个锚点固定到基片层上；谐振梁的U型结构内部设置有一个检测电极，该检测电极的端部通过锚点与基片层固定连接；谐振梁的U型结构的外部上、下两侧各设置一个外部检测电极，两外部检测电极通过锚点与基片层固定连接；谐振梁与内、外部检测电极之间设置有电容，在谐振梁与检测电极之间施加电压产生静电力驱动谐振梁振动，通过检测电极与谐振梁之间电容量的变化检测谐振梁的振动。本发明可以广泛应用于微机电器件的应力检测领域。

Description

用于微机电器件应力检测的片上谐振梁结构及检测方法

技术领域

本发明属于微机电传感器与执行器、微机电系统技术领域，特别是涉及一种用于微机电器件应力检测的片上谐振梁结构及检测方法。

背景技术

微机电器件结构中的应力常常是影响器件性能的重要因素。有些传感器本身是靠应力效应来完成对物理量的敏感的，比如依靠应力-电阻转换效应的加速度计和依靠压电效应的微机电麦克风。在这些情况下结构应力会直接导致不期望的传感器输出。在另外一些传感器和执行器中，结构应力的变化会导致器件结构几何参数的改变。例如在采用力平衡闭环控制的电容式加速度计中，如果应力使敏感质量块的位置发生了偏移，控制电路将产生电压纠正这个偏移，从而造成加速度计零偏的变化。在微机电角速率陀螺中，当敏感质量块的位置发生偏移，则结构在各个方向上的支承刚度会发生改变，陀螺的耦合信号以及零偏会随之改变。

使结构应力发生变化的主要因素常常是温度。不同材料，比如硅和玻璃，具有不相等的热膨胀系数，所以键合在一起的不同材料在温度发生变化时，结构内部的应力就会变化。而且材料的热膨胀系数也是随着温度变化的，所以热应力与温度之间并非简单的线性关系。这样微机电传感器的输出与温度之间往往也呈现出非线性关系。

现有的应力测试方法列举如下：

1)表面加工的测试结构，以电镀的金作为结构层，设计以隆起和转动为指示原理的应力测试结构，用光学形貌仪测量结构的变形。

2)设计梁结构，用扫描激光多普勒测振仪测量梁的谐振频率，得到残余应力参数。

3)设计两端固定的梁和接触检测电极，应力会引起梁发生横向位移，使之与旁边的电极相接触而导电，从而判断变形及应力的大小。

4)通过拉曼光谱测量多晶硅MEMS器件的残余应力。

5)在器件的封装方面，利用压阻效应测试结构的封装应力。

然而，上述各方法中，采用光学仪器测量应力的方法受器件封装情况的限制，一般情况下，微结构封装后就不可能再实施光学测量。通过结构变形导致电极接触的方法测量应力，一般只能设置有限的几个电极，只能反映应力的大致范围，测量精度差。压阻效应的温度特性不好，应力测量结果受温度的影响较大。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种用于微机电器件应力检测的片上谐振梁结构及检测方法，采用谐振梁作为应力检测元件，通过测试谐振梁的自然频率检测结构应力。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种用于微机电器件应力检测的片上谐振梁结构，其包括微机电器件以及设置在微机电器件上的谐振梁；所述微机电器件包括由上向下依次设置的结构层、锚点层和基片层；所述谐振梁采用U型结构，其设置在结构层上，并通过所述U型结构开口处两个端点及U型弯折处的端点分别通过1个锚点固定到所述基片层上；所述U型结构内部设置有一个内部检测电极，所述内部检测电极的端部通过锚点与所述基片层固定连接；所述U型结构的外部上、下两侧各设置一个外部检测电极，两所述外部检测电极通过锚点与所述基片层固定连接；所述U型结构与所述内部检测电极和外部检测电极之间形成电容，在所述谐振梁与所述内部检测电极和外部检测电极之间施加电压产生静电力，驱动所述谐振梁振动，通过检测所述内、外部检测电极与所述谐振梁之间电容量的变化检测所述谐振梁的振动。

进一步地，所述内部检测电极和外部检测电极采用平板形或梳齿形电极。

进一步地，所述微机电器件的结构层为导体，采用硅材料；所述基片层采用玻璃或硅材料；所述锚点层采用硅、氧化硅或金属材料。

一种用于微机电器件应力检测的片上谐振梁结构的应力检测方法，其包括以下步骤：1)在待检测微机电器件上设置谐振梁结构和检测电极，并在谐振梁结构和检测电极之间施加电压；2)当温度变化时，检测谐振梁的自然频率及其变化，得到谐振梁的应力随温度的变化曲线。

进一步地，所述步骤2)中，当温度变化时，检测谐振梁的自然频率及其变化，得到谐振梁的应力随温度的变化曲线的方法，包括以下步骤：2.1)当谐振梁不受轴向应力时，根据谐振梁的材料及结构尺寸得到谐振梁的二阶自然频率f₀；2.2)当谐振梁受到轴向力N时，计算得到谐振梁的二阶自然频率f₀与轴向力N的关系；2.3)当温度变化时，根据谐振梁的二阶自然频率f₀与轴向力N的关系，得到谐振梁的受到的轴向力即应力随温度的变化曲线。

进一步地，所述步骤2.1)中，所述谐振梁的二阶自然频率f₀为：

其中，E为谐振梁的弹性模量，I为谐振梁发生弯曲变形时谐振梁截面的惯性矩，ρ为谐振梁的密度，A为截面积，l为谐振梁的梁长，a≈4.73。

进一步地，所述步骤2.2)中，所述谐振梁的二阶自然频率f₀与轴向力N的关系为：

其中，c≈0.0245775，无量纲。

进一步地，所述步骤2.3)中，所述谐振梁的受到的轴向力即应力随温度的变化曲线为：

N≈E_SiA_Si(α_G-α_Si)△T，

其中，E_Si为硅的弹性模量，A_Si为硅梁的等效截面积，α_Si和α_G分别为硅和玻璃的热膨胀系数，△T＝T-T₀，T₀为无应力温度，T为温度。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1)本发明在微机电器件的结构上设置谐振梁结构，并在谐振梁结构内外部设置检测电极并通过微机电器件上的锚点层与基片层固定连接，进行应力测试时不受微机电器件封装情况约束，适用范围广；2)本发明谐振梁应力测试可以在微机电器件实际工作条件(比如温度条件)下实时测试，而这样的条件下光学测试方法难以使用；3)本发明仅需要简单的只需使用较简单的驱动电路和电容检测电路，配合信号分析卡即可，不需要昂贵的仪器设备如光学形貌仪、激光多普勒测振仪、拉曼光谱仪等，检测成本低，测试效率高。因此，本发明可以广泛应用于微机电器件应力检测领域。

附图说明

图1是微机电器件结构的剖面图；

图2是本发明的应力测试结构示意图；

图3是本发明谐振梁振动模态(第1阶)；

图4是本发明谐振梁振动模态(第2阶)；

图5是本发明谐振梁振动模态(第3阶)；

图6是本发明谐振梁振动模态(第4阶)；

图7是本发明温度-应力仿真曲线图；

图8是本发明温度-频率仿真曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1、图2所示，本发明提供的一种用于微机电器件应力检测的片上谐振梁结构，其包括微机电器件1以及设置在微机电器件1上的谐振梁2。其中，微机电器件1包括由上向下依次设置的结构层11、锚点层12和基片层13。谐振梁2采用U型结构，其设置在结构层11上，并通过U型结构开口处两个端点及U型弯折处设置的三个锚点21固定到微机电器件1的基片层13上。谐振梁2的U型结构内部设置有一个内部检测电极22，该内部检测电极22的端部通过锚点23与基片层13固定连接；谐振梁2的U型结构的外部上、下两侧各设置一个外部检测电极24，两外部检测电极24通过锚点25与微机电器件1的基片层13固定连接；谐振梁2与内部检测电极22和两外部检测电极24之间形成电容。在谐振梁2与内、外部检测电极22、24之间施加电压，可以产生静电力，驱动谐振梁2振动，通过检测谐振梁2与内外部电极22、24之间电容量的变化检测谐振梁的振动。

上述实施例中，微机电器件1的结构层11为导体，通常采用硅材料；基片层13通常采用玻璃或硅材料；锚点层12通常采用硅、氧化硅或金属等材料。

上述实施例中，内部检测电极22和外部检测电极24采用平板形或梳齿形，本发明中采用梳齿形电极。

基于上述用于微机电器件应力检测的片上谐振梁结构，本发明还提供一种用于微机电器件应力检测的片上谐振梁结构的应力检测方法，当温度变化时，微机电器件的结构层与基片层材料的弹性模量和结构尺寸都会发生变化，导致谐振梁受到轴向应力，从而自然频率发生变化，通过检测谐振梁的自然频率及其变化即可获知结构应力随温度的变化，具体的，包括以下步骤：

1)在待检测微机电器件上设置谐振梁结构和检测电极，并在谐振梁结构和检测电极之间施加电压。其中，施加电压的等级根据谐振梁的结构参数及谐振频率确定，一般选用几伏的电压即可。

2)当温度变化时，检测谐振梁的自然频率及其变化，得到谐振梁的应力随温度的变化曲线。

具体的，包括以下步骤：

2.1)当谐振梁不受轴向应力时，根据谐振梁的材料及结构尺寸得到谐振梁在常温下的第2阶自然频率f₀，本发明将谐振梁的第2阶自然频率作为其工作模态。

当谐振梁不受轴向应力时，谐振梁的二阶自然频率f₀为：1

其中，E为谐振梁的弹性模量，I为谐振梁发生弯曲变形时谐振梁截面的惯性矩，ρ为谐振梁的密度，A为截面积，l为谐振梁的梁长，a≈4.73。

2.2)当谐振梁受到轴向力N时，计算得到谐振梁的二阶自然频率f₀与轴向力N的关系：

其中，c≈0.0245775，无量纲。

2.3)当温度变化时，根据谐振梁的二阶自然频率f₀与轴向力N的关系，得到谐振梁的受到的轴向力即应力随温度的变化曲线。

本发明以结构层为硅，基片层为Pyrex玻璃为例，对谐振梁结构的应力进行分析。当温度改变时，硅结构的热膨胀会使其尺寸发生变化，弹性模量也发生变化。由于硅和玻璃热膨胀系数的不匹配，谐振梁会承受轴向力。假定键合点之间玻璃基片内的应力均匀分布，设无应力温度为T₀，定义△T＝T-T₀，由于硅梁与玻璃基片之间的作用力和反作用力相等，在T₀附近有：

其中，l_bond为键合点之间的实际距离，E_Si、E_G分别为硅和玻璃的弹性模量，A_Si、A_G分别为硅梁和玻璃的等效截面积，l_b0为键合点间无应力时的距离，α_Si和α_G分别为硅和玻璃的热膨胀系数。当结构层和基片层采用其他材料时，相应的弹性模量、热膨胀系数需要根据不同材料进行调整。

根据式(3)可得，键合点之间的实际距离l_bond为：

由于E_Si和E_G在数值上为同一量级，而A_G＞＞A_Si，故有：

l_bond≈l_b0(1+α_G△T) (5)

根据式(5)可知，键合点之间的实际距离主要是由玻璃的热膨胀系数决定的，则谐振梁所受的轴向力随温度的变化为：

N≈E_SiA_Si(α_G-α_Si)△T (6)

在大温度范围内，也即当热膨胀系数与常温相比变化较大，不能看做常数时，则应有

记α_d＝α_G-α_Si，则有

下面通过具体实施例对本发明做进一步介绍。

1、在20℃下，对本发明提出的用于微机电器件应力检测的片上谐振梁结构(以下简称应力测试结构)的振动模态进行分析。本实施例中将20℃视作常温，对谐振梁的振动模态进行分析。

在20℃下，谐振梁的第1到第4阶振动模态如图3～图6所示，从图中可以看出，第2阶振动模态最适于用于应力-频率变换，以检测结构的应力。

在20℃下，谐振梁的第1到第4阶振动模态的自然频率如下表1所示。

表1谐振梁各阶模态的自然频率

模态阶次	1	2	3	4
					自然频率(Hz)	42644	42695	65428	74748

2、对应力测试结构建立有限元模型，对温度-应力关系进行有限元仿真。

对应力测试结构建立有限元模型，设置硅和玻璃结构的热膨胀系数，对-50～+85℃温度范围内，沿[110]和[100]晶向的谐振梁中的应力进行仿真分析。仿真中假设结构在20℃下完全不存在内部应力。

如图7所示，取谐振梁的几何中心处的轴向应力作为谐振梁内部应力的代表，作出温度-应力关系曲线。图中分别给出了硅结构中沿<110>和<100>晶向的应力。

3、对应力测试结构的温度-频率关系进行有限元仿真。

如图8所示，为应力测试结构的自然频率与温度的关系。应力测试结构在不同温度下会发生热变形，内部产生热应力。对应力测试结构在-50～+85℃温度范围内，沿[110]和[100]晶向的谐振梁的自然频率进行仿真。仿真结果显示，当温度较高时，轴向应力为拉应力，当温度较低时，轴向应力为压应力，且谐振梁中的轴向应力与温度呈现非线性关系。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (8)

1.一种用于微机电器件应力检测的片上谐振梁结构，其特征在于：其包括微机电器件以及设置在所述微机电器件上的谐振梁；

所述微机电器件包括由上向下依次设置的结构层、锚点层和基片层；

所述谐振梁采用U型结构，其设置在所述结构层上，并通过所述U型结构开口处两个端点及U型弯折处的端点分别通过1个锚点固定到所述基片层上；所述U型结构内部设置有一个内部检测电极，所述内部检测电极的端部通过锚点与所述基片层固定连接；所述U型结构的外部上、下两侧各设置一个外部检测电极，两所述外部检测电极通过锚点与所述基片层固定连接；所述U型结构与所述内部检测电极和外部检测电极之间形成电容，在所述谐振梁与所述内部检测电极和外部检测电极之间施加电压产生静电力，驱动所述谐振梁振动，通过检测所述内、外部检测电极与所述谐振梁之间电容量的变化检测所述谐振梁的振动。

2.如权利要求1所述的用于微机电器件应力检测的片上谐振梁结构，其特征在于：所述内部检测电极和外部检测电极采用平板形或梳齿形电极。

3.如权利要求1所述的用于微机电器件应力检测的片上谐振梁结构，其特征在于：所述微机电器件的结构层为导体，采用硅材料；所述基片层采用玻璃或硅材料；所述锚点层采用硅、氧化硅或金属材料。

4.一种采用如权利要求1～3任一项所述用于微机电器件应力检测的片上谐振梁结构的应力检测方法，其特征在于包括以下步骤：

1)在待检测微机电器件上设置谐振梁结构和检测电极，并在谐振梁结构和检测电极之间施加电压；

2)当温度变化时，检测谐振梁的自然频率及其变化，得到谐振梁的应力随温度的变化曲线。

5.如权利要求4所述的用于微机电器件应力检测的片上谐振梁结构的应力检测方法，其特征在于：所述步骤2)中，当温度变化时，检测谐振梁的自然频率及其变化，得到谐振梁的应力随温度的变化曲线的方法，包括以下步骤：

2.1)当谐振梁不受轴向应力时，根据谐振梁的材料及结构尺寸得到谐振梁的一阶自然频率f₀；

2.2)当谐振梁受到轴向力N时，计算得到谐振梁的二阶自然频率f₀与轴向力N的关系；

2.3)当温度变化时，根据谐振梁的二阶自然频率f₀与轴向力N的关系，得到谐振梁的受到的轴向力即应力随温度的变化曲线。

6.如权利要求5所述的用于微机电器件应力检测的片上谐振梁结构的应力检测方法，其特征在于：所述步骤2.1)中，所述谐振梁的二阶自然频率f₀为：

其中，E为谐振梁的弹性模量，I为谐振梁发生弯曲变形时谐振梁截面的惯性矩，ρ为谐振梁的密度，A为截面积，l为谐振梁的梁长，a≈4.73。

7.如权利要求5所述的用于微机电器件应力检测的片上谐振梁结构的应力检测方法，其特征在于：所述步骤2.2)中，所述谐振梁的二阶自然频率f₀与轴向力N的关系为：

其中，c≈0.0245775，无量纲。

8.如权利要求5所述的用于微机电器件应力检测的片上谐振梁结构的应力检测方法，其特征在于：所述步骤2.3)中，所述谐振梁的受到的轴向力即应力随温度的变化曲线为：

N≈E_SiA_Si(α_G-α_Si)△T，

其中，E_Si为硅的弹性模量，A_Si为硅梁的等效截面积，α_Si和α_G分别为硅和玻璃的热膨胀系数，△T＝T-T₀，T₀为无应力温度，T为温度。