微機電系統梁振動疲勞可靠性在線自動測試方法及系統的製作方法
2023-05-29 14:52:51
專利名稱：微機電系統梁振動疲勞可靠性在線自動測試方法及系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種MEMS (Micro-Electro-Mechanical System,微機電系統)器 件性能的在線自動測量方法及系統,尤其涉及一種微機電系統梁振動載荷下疲勞 可靠性在線自動測試方法及系統。
背景技術：
MEMS英文全稱為Microelectromechanical System,意思為微電子-機械系統, 簡稱微機電系統。
微機電系統梁為機械類器件，多種應用中它們會不斷的振動，隨著振動次數 的增加，微機電系統梁會發生疲勞失效。微機電系統梁在振動載荷作用下的疲勞 測試，由於發生疲勞失效的循環次數很高， 一般不低於109次，測試微機電系統 梁的疲勞性能需要花費很長的時間，因此一種可在線自動測試微機電系統梁疲勞 可靠性系統的設計可以方便地對微機電系統梁進行疲勞測試和性能評價。至目前 為止還沒有這類可在線測試微機電系統梁振動載荷作用下的疲勞測試系統的報 道。
發明內容
本發明的發明目的是提供一種微機電系統梁振動疲勞可靠性在線自動測試 方法，該方法簡單、省時、實用。
本發明的另一個發明目的是提供一種微機電系統梁振動疲勞可靠性在線自 動測試系統，測量系統具有簡單、實用、省時、自動測試的特點，可使得加載疲 勞載荷以及測量一體化。
本發明採用如下方案
一種微機電系統梁振動疲勞可靠性在線自動測試方法，首先用交流電壓在微 機電系統梁上加載振動疲勞載荷使其振動特定次數，撤去上述振動疲勞載荷，然 後在所述微機電系統梁上加載直流測量電壓，測得反映所述微機電系統梁疲勞特 性的吸合電壓值，重複上述步驟使得加載與測量交替進行，得到反映所述微機電系統梁疲勞特性的吸合電壓值與所述微機電系統梁振動次數的關係。上述技術方案中，所述振動疲勞載荷的加載與微機電系統梁吸合電壓的測量 通過程序控制。一種微機電系統梁振動疲勞可靠性在線自動測試系統，由電壓產生模塊IO、 放大器20、微機電系統梁30、定時器40、電壓檢測模塊50、保護電路60和數 據輸出模塊70組成，電壓產生模塊10產生交流電壓或者直流電壓，通過程序控 制交、直流電壓的轉換，產生的電壓經過放大器20放大後加載到微機電系統梁 30上從而分別交替完成加載和吸合電壓的測量過程，交流電壓使微機電系統梁 30產生振動而致疲勞，直流電壓作為微機電系統梁30吸合電壓測量電壓，電壓 檢測模塊50通過檢測保護電路60兩端的電壓變化，測得保護電路60有電壓降 的同時，記錄吸合電壓值並通過數據輸出模塊70輸出電壓產生模塊10此時的吸 合電壓值數據，交流電壓與直流電壓的切換通過定時器40控制。上述技術方案中，所述電壓產生模塊10產生交流電壓信號，交流電壓加載 時間到達，定時器發出中斷信號，此時電壓產生模塊10產生直流電壓，當微機 電系統梁30發生吸合時，電壓檢測模塊50檢測到保護電路60兩端有電壓，發 送給電壓產生模塊10—個信號，電壓產生模塊10產生交流電壓，定時器40同 時工作，這一過程不斷反覆進行，直到疲勞加載時間到達。所述放大器20將電壓產生模塊10產生的交流電壓或者直流電壓進行放大， 當輸出電壓為交流電壓時，經放大器20放大的電壓作為微機電系統梁30的振動 疲勞載荷，當電壓輸出為直流電壓時，經放大器20放大的電壓作為微機電系統 梁30的吸合電壓測量的加載電壓。保護電路60用來保護電壓檢測模塊50。電 壓產生模塊10輸出的直流電壓值從設定值附近加載，該設定值低於吸合電壓。上述技術方案中，所述電壓產生模塊10通過編程來控制交流電壓輸出的頻 率與幅值，並通過放大器20放大到需要的幅值，同時可以控制直流輸出電壓遞 增的步進時間，交流電壓向直流電壓的轉換是通過定時器40產生中斷信號到電 壓產生模塊IO,直流電壓向交流電壓的轉換通過電壓檢測模塊50發送一個信號 給電壓產生模塊IO,再由程序控制交、直流電壓的轉換。上述技術方案中，所述放大器20是用來將電壓產生模塊10輸出的交流或直 流電壓分別進行放大，如果輸出為交流電壓，將放大的交流電壓加到微機電系 統梁30上作為振動疲勞載荷；如果輸出為直流電壓，放大後的直流步進電壓作 為微機電系統梁30的吸合電壓的測量電壓。上述技術方案中，所述電壓檢測模塊50是用來檢測保護電路50兩端的電壓 值，當保護電路兩端有電壓降時，電壓檢測模塊檢測到電壓值並發送一個信號給 電壓產生模塊IO,通過程序控制，將電壓產生模塊10產生的吸合電壓值輸出到 數據輸出模塊70中。本發明的工作原理微機電系統梁的構成主要包括襯底、第一上電極錨區、 第二上電極錨區、第一下電極錨區、第一下電極、多晶矽梁結構。測試過程中， 當加載電壓為交流電壓時，多晶矽梁結構與第一下電極分離，多晶矽梁結構與第 一下電極之間斷路，保護電路直流電壓為零，交流電壓對多晶矽梁結構施加循環 載荷，多晶矽梁結構在交流電壓作用下不斷振動；當施加電壓為直流電壓時，此 直流電壓是從某一起始值、以一個設定的電壓遞增時間變化的電壓，此時這個多 晶矽梁結構與第一下電極間由於靜電力的作用相互吸引，相互靠攏，當施加直流 電壓達到某一臨界值時，多晶矽梁結構與第一下電極接觸，兩者處於導通狀態， 多晶矽梁結構發生吸合，記錄這一瞬間的加載電壓值，並且儲存數據值，同時加 載的直流電壓轉換為交流電壓，多晶矽梁結構與第一下電極分離，兩者處於斷路 的狀態。吸合電壓的變化能夠反映微機電系統梁性能的改變，通過對記錄的吸合 電壓值分析，能夠得到微機電系統梁在振動加載後器件的性能變化。 本發明獲得如下技術效果1. 本發明利用交流電壓作為微機電系統梁的周期振動載荷，加載一定周期後， 改用直流電壓加載，測量微機電系統梁的吸合電壓值，多個循環加載周期後， 微機電系統梁的性能改變能夠從吸合電壓值的改變反映出來。本發明將振動 疲勞載荷的加載與疲勞特性自動測量一體化，從而使得該方法更簡單，成本 較低。2. 本發明只需要通過程序設定好振動疲勞加載時間、交流電壓的頻率與幅值、 直流電壓步進時間、定時器的時間，系統自動進行微機電系統梁振動載荷作 用下的疲勞測試，採集反映器件疲勞性能變化的吸合電壓值，使上述加載以 及測量步驟更加自動、可控、簡單，不需要大量的人力成本，因而成本得到 了進一步的降低，全過程可無人值守。3. 本發明的系統僅釆用幾個常規的部件，其中電壓產生模塊產生交流電壓或者 直流步進電壓，交流電壓到直流電壓的轉換是通過定時器向電壓產生模塊發 送一個信號，並由程序控制交流電壓向直流電壓的轉換；直流電壓向交流電壓的轉換是通過信號檢測模塊向電壓產生模塊發送一個信號，再由程序控制 交、直流電壓的轉換，可以由編寫的程序控制總的交流電壓加載次數即振動 疲勞載荷次數，此種方法使得系統更簡單。4. 本發明通過電壓產生模塊、放大器、定時器及編寫的程序實現疲勞載荷與測 試載荷的輸出與轉換，可以實現低周和高周疲勞試驗，也適合於具有不同疲 勞強度的多種材料微機電系統梁的疲勞試驗。5. 本發明採用的裝置僅需做少量的硬體擴充就可以實現其它形式下的疲勞性能 測試，容易擴充測試的範圍，例如微機電系統梁在做高溫下的疲勞實驗，可 擴充加熱裝置對微機電系統梁進行加熱，利用本發明的裝置定時測量反映疲 勞性能變化的吸合電壓值。6. 當微機電系統梁3O發生吸合過程中產生過高的電壓使電壓檢測模塊50燒毀。7. 本發明在測量吸合電壓時，通過將初始直流電壓直接加到低於吸合電壓值附近的設定值，然後再逐步加大，進一步節約了時間。該設定值可取自於比吸 合電壓稍低的值。
圖l微機電系統梁正面全局2微機電系統梁剖視3微機電系統梁振動載荷下疲勞可靠性在線自動測試系統的裝配圖 圖4微機電系統梁振動載荷下疲勞可靠性在線自動測試系統的程序流程圖 圖5微機電系統梁直流電壓加載下吸合電壓測量過程圖 圖6吸合電壓與疲勞加載周期的關係圖具體實施方式
下面結合具體的實施方式進行說明 實施例1一種微機電系統梁振動疲勞可靠性在線自動測試系統,微機電系統梁的材料 為多晶矽，微機電系統梁的幾何尺寸長度為300 Mm,寬度為30 jam,厚度為2 jum ，梁單元與襯底間距為2jtini,首先用交流電壓在微機電系統梁上加載振動 疲勞載荷使其振動特定次數，交流電壓幅值為7V，頻率為20KHz,交流電壓加載時間為100分鐘，然後，撤去上述振動疲勞載荷(即停止加交流信號，然後在所述微機電系統梁上加載直流測量電壓，直流測量電壓從40V開始加，直 到梁發生吸合，測得反映所述微機電系統梁疲勞特性的吸合電壓值，重複上述步 驟使加載與測量交替進行，直至所述微機電系統梁交流電壓加載時間達到1500 分鐘，得到反映所述微機電系統梁疲勞特性的吸合電壓值與所述微機電系統梁振 動次數的關係。上述技術方案中，所述振動疲勞載荷的加載與微機電系統梁吸合電壓的測量 通過程序控制。實施例2一種微機電系統梁振動疲勞可靠性在線自動測試系統，由電壓產生模塊IO、 放大器20、微機電系統梁30、定時器40、電壓檢測模塊50、保護電路60和數 據輸出模塊70組成，電壓產生模塊10產生交流電壓或者直流電壓，通過程序控 制交、直流電壓的轉換，產生的電壓經過放大器20放大後加載到微機電系統梁 30上從而分別交替完成加載和吸合電壓的測量過程，交流電壓使微機電系統梁 30產生振動而致疲勞，直流電壓作為微機電系統梁30吸合電壓測量電壓，電壓 檢測模塊50通過檢測保護電路60兩端的電壓變化，測得保護電路60有電壓降 的同時，記錄吸合電壓值並通過數據輸出模塊70輸出電壓產生模塊10此時的吸 合電壓值數據，交流電壓與直流電壓的切換通過定時器40控制。上述技術方案中，所述電壓產生模塊10產生交流電壓信號，交流電壓加載 時間到達，定時器發出中斷信號，此時電壓產生模塊10產生直流電壓，當微機 電系統梁30發生吸合時，電壓檢測模塊50檢測到保護電路60兩端有電壓，發 送給電壓產生模塊10—個信號，電壓產生模塊10產生交流電壓，定時器40同 時工作，這一過程不斷反覆進行，直到疲勞加載時間到達。所述放大器20將電壓產生模塊10產生的交流電壓或者直流電壓進行放大， 當輸出電壓為交流電壓時，經放大器20放大的電壓作為微機電系統梁30的振動 疲勞載荷，當電壓輸出為直流電壓時，經放大器20放大的電壓作為微機電系統 梁30的吸合電壓測量的加載電壓。保護電路60用來保護電壓檢測模塊50。電 壓產生模塊10輸出的直流電壓值從設定值附近加載，該設定值低於吸合電壓。上述技術方案中，所述電壓產生模塊10通過編程來控制交流電壓輸出的頻 率與幅值，並通過放大器20放大到需要的幅值，同時可以控制直流輸出電壓遞 增的步進時間，交流電壓向直流電壓的轉換是通過定時器40產生中斷信號到電 壓產生模塊IO,直流電壓向交流電壓的轉換通過電壓檢測模塊50發送一個信號給電壓產生模塊IO,再由程序控制交、直流電壓的轉換。
上述技術方案中，所述放大器20是用來將電壓產生模塊10輸出的交流或直 流電壓分別進行放大，如果輸出為交流電壓，將放大的交流電壓加到微機電系統
梁30上作為振動疲勞載荷；如果輸出為直流電壓，放大後的直流步進電壓作為 微機電系統梁30的吸合電壓的測量電壓。
上述技術方案中，所述電壓檢測模塊50是用來檢測保護電路50兩端的電壓 值，當保護電路兩端有電壓降時，電壓檢測模塊檢測到電壓值並發送一個信號給 電壓產生模塊IO，通過程序控制，將電壓產生模塊10產生的吸合電壓值輸出到 數據輸出模塊70中。
實施例3
一種在線式微機電系統梁振動疲勞特性自動測試系統，由電壓產生模塊IO、 放大器20、微機電系統梁30、定時器40、電壓檢測模塊50、保護電路60和數 據輸出模塊70組成，電壓產生模塊10產生交流電壓或者直流電壓，由定時器 40或電壓檢測模塊50發送一個信號給電壓產生模塊10、通過程序控制交、直流 電壓的轉換，產生的電壓經過放大器20放大後加載到微機電系統梁30上，完成 加載或者吸合電壓的測量過程，交流電壓使微機電系統梁30振動發生疲勞，直 流電壓作為微機電系統梁30吸合電壓的測量電壓，電壓檢測模塊50通過檢測保 護電路60兩端的電壓變化，測得保護電路60有電壓降的同時，發送信號給電壓 產生模塊10,將此時電壓產生模塊10的電壓值在數據輸出模塊70中輸出。
上述技術方案中，所述電壓產生模塊10由單片機11構成，單片機型號為 AT89S52，單片機11通過編程可以控制交流電壓加載時間、交流電壓的頻率與 幅值，也可以控制直流電壓的輸出初始值、直流電壓步進時間值，電壓輸出通過 單片機11外圍的八位D/A 口實現，輸出電壓為交流電壓時，定時器40時間到 達時給單片機11 一個中斷信號，單片機11開始輸出直流步進遞增電壓，當微機 電系統梁30發生吸合時，電壓檢測模塊50檢測到保護電路60有電壓降，電壓 檢測模塊50發一個信號給單片機11,單片機11控制輸出交流電壓，並且單片 機11控制定時器40開始計時，同是單片機11的計數裝置的數值自動增加1， 當單片機11設定直流向交流轉換次數數值到達時，單片機11停止工作，所有 模塊都停止工作。上述方案中，放大器20可以根據需要選定不同數值的放大倍率，將電壓產
生模塊10產生的交流電壓或者直流電壓的幅值進行放大，分別作為微機電系統
梁30的振動疲勞載荷與吸合電壓的測量電壓，實驗中選用放大器LF411、三極 管MJE340組成放大電路。
上述方案中，微機電系統梁30由第一上電極錨區31、第二上電極錨區32、 梁單元33、第一下電極錨區35、第一下電極34、襯底39組成。微機電系統梁 30)梁單元33 ) —端與第一上電極錨區31 )相連，另 一端與第二上電極錨區32) 相連，梁單元33)懸在第一下電極34)正上方，與第一下電極34)分離，第一 上電極錨區31、第二上電極錨區32、第一下電極錨區35、第一下電極34全部 都做到襯底39之上。
上述方案中，電壓檢測模塊50用來檢測保護電路60上的電壓，電壓檢測模 塊50可由單片機11外圍的八位A/D 口實現，當檢測到保護電路60上有電壓時， 電壓檢測模塊50給單片機11 一個信號，單片機ll將此時的輸出直流電壓通過 數據輸出模塊70輸出，同時單片機ll中的程序控制電壓輸出為交流電壓，定時 器40開始計時。
上述方案中，保護電路60的作用是在微機電系統梁30吸合時保護電壓檢測 模塊50,保護電路可由二極體串聯而成，二極體的型號為IN4148,由於在吸合 時梁單元33與第一下電極34接觸導通有電流通過，此時微機電系統梁30相當 於一個電阻，梁單元33與第一下電極34之間有較大的電壓，保護電路60能夠 將微機電系統梁30詢梁單元33與第一下電極34之間電壓嵌制在一個較小的電 壓值，使電壓檢測模塊50免於燒毀。
本發明裝置的使用方法如下
1. 開始工作前，根據需要設定電壓產生模塊10中單片機11的程序，包括 交流電壓加載時間、交流電壓頻率、幅值，直流電壓步進時間值、起始電壓值， 單片機11記數裝置中的直流向交流轉換次數設定，定時器40時間設定；
2. 電壓產生模塊10中的單片機11先輸出交流電壓，定時器40開始工作，
交流電壓的輸出一端與微機電系統梁30的第一電極錨區31或者第二上電極錨區
32)連接，另一端與第一下電極錨區35相連，通過這種方法交流電壓加載到梁
單元33與第一下電極34之間，作為疲勞振動載荷，定時器40時間到達時，給
單片機ll 一個中斷信號，單片機ll程序控制將輸出電壓轉換為直流電壓；3. 電壓輸出為直流電壓時，直流電壓經過放大器40放大之後， 一端與微機 電系統粱30的第一電極錨區31或者第二上電極錨區32連接，另一端與第一下 電極錨區35相連，通過這種方法直流電壓加載到梁單元33與第一下電極34之 間，作為吸合電壓的測量電壓，吸合發生後電壓檢測模塊50檢測到保護電路60 上有電壓降，電壓檢測模塊50發送一個信號給單片機11,單片機11將此時輸 出的電壓值通過數據輸出模塊70輸出，採集到吸合電壓值，並且單片機ll上的 記數裝置數值自動增加l,同時定時器40開始工作；
4. 重複上面2， 3步驟，直至單片機ll上設定直流向交流轉換次數數值到 達，單片機ll停止工作，其它所有模塊都停止工作；
5. 對數據輸出模塊70輸出的數據進行分析，可以得出微機電系統梁性能退 化的軌跡圖及退化規律。
權利要求
1.一種微機電系統梁振動疲勞可靠性在線自動測試方法，其特徵在於，首先用交流電壓在微機電系統梁上加載振動疲勞載荷使其振動特定次數，撤去上述振動疲勞載荷，然後在所述微機電系統梁上加直流測量電壓，測得反映所述微機電系統梁疲勞特性的吸合電壓值，重複上述步驟使得加載與測量交替進行，得到反映所述微機電系統梁疲勞特性的吸合電壓值與所述微機電系統梁振動次數的關係。
2. 根據權利要求書1所述的微機電系統梁振動疲勞可靠性在線自動測試方法， 其特徵在於，所述振動疲勞載荷的加載與微機電系統梁吸合電壓的測量通過 程序控制。
3. —種根據權利要求書1所述的微機電系統梁振動疲勞可靠性在線自動測試系 統，其特徵在於，由電壓產生模塊(IO)、放大器(20)、微機電系統梁(30)、定 時器(40)、電壓檢測模塊(50)、保護電路(60)和數據輸出模塊(70)組成，電壓 產生模塊(10)產生交流電壓或者直流電壓，通過程序控制交、直流電壓的轉 換，產生的電壓經過放大器(20沐大後加載到微機電系統梁(30)上從而分別交 替完成加載和吸合電壓的測量過程，交流電壓使微機電系統梁(30)產生振動 而致疲勞，直流電壓作為微機電系統梁(30)吸合電壓測量電壓，電壓檢測模 塊(50)通過檢測保護電路(60)兩端的電壓變化，測得保護電路(60)有電壓降的 同時，記錄吸合電壓值並通過數據輸出模塊(70)輸出電壓產生模塊(10)此時的 吸合電壓值數據，交流電壓與直流電壓的切換通過定時器(40)控制。
4. 根據權利要求書3所述的微機電系統梁振動疲勞可靠性在線自動測試系統， 其特徵在於，所述電壓產生模塊(10)產生交流電壓信號，交流電壓加載時間 到達，定時器發出中斷信號，此時電壓產生模塊(10)產生直流電壓，當微機 電系統梁(30)發生吸合時，電壓檢測模塊(50)檢測到保護電路(60)兩端有電壓， 發送給電壓產生模塊(10)—個信號，電壓產生模塊(10)產生交流電壓，定時器 (40)同時工作，這一過程不斷反覆進行，直到疲勞加載時間到達。
5. 根據權利要求書3所述的微機電系統梁振動疲勞可靠性在線自動測試系統， 其特徵在於，所述放大器(20)將電壓產生模塊(10)產生的交流電壓或者直流電 壓進行放大，當輸出電壓為交流電壓時，經放大器(20)放大的電壓作為微機 電系統梁(30)的振動疲勞載荷，當電壓輸出為直流電壓時，經放大器(20)放大 的電壓作為微機電系統梁(30)的吸合電壓測量的加載電壓。
6. 根據權利要求書3所述的微機電系統梁振動疲勞可靠性在線自動測試系統， 其特徵在於，保護電路(60)用來保護電壓檢測模塊(50)。
7. 根據權利要求書3所述的微機電系統梁振動疲勞可靠性在線自動測試系統， 其特徵在於，電壓產生模塊(10)輸出的直流電壓值從設定值附近加載，該設 定值低於吸合電壓。
全文摘要
本發明公開一種在線式微機電系統梁振動疲勞特性自動測試系統，由電壓產生模塊、放大器、梁、定時器、電壓檢測模塊、保護電路和數據輸出模塊組成。本發明採用以下技術方案，首先用交流電壓在微機電系統梁上加載振動疲勞載荷使其振動特定次數，撤去上述振動疲勞載荷，然後在所述梁上加載直流測量電壓，測得反映梁疲勞特性的吸合電壓值，重複上述步驟使得加載與測量交替進行，得到反映所述梁疲勞特性的吸合電壓值與所述梁振動次數的關係，本發明將振動疲勞載荷的加載與疲勞特性測試一體化，從而使該系統更簡單，並且測量過程完全自動化，全程可無人值守。
文檔編號G01R19/00GK101319957SQ20081012262
公開日2008年12月10日 申請日期2008年6月3日 優先權日2008年6月3日
發明者唐潔影, 尚金堂, 陳龍龍 申請人:東南大學