靜電換能器可靠性分析方法和系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及儀器測試技術(shù)領(lǐng)域，特別是設(shè)及一種靜電換能器可靠性分析方法和系 統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 靜電換能器由兩個(gè)可W存儲相反電荷的導(dǎo)體所構(gòu)成的電容器，在功能上包括傳感 器與執(zhí)行器，常見的靜電MEMS(MicroElectroMechanicalSystems,微機(jī)電系統(tǒng)）器件包 括RF(Radio化equency，射頻）MEMS開關(guān)、MEMS慣性器件、MEMS壓力傳感器等。W靜電力 為驅(qū)動(dòng)的平行板電容器結(jié)構(gòu)，通常是一個(gè)平行板固定（固定平板），另一個(gè)平板由機(jī)械彈黃 懸支（可動(dòng)平板），當(dāng)兩個(gè)平行板上時(shí)加電壓時(shí)就會產(chǎn)生靜電力，靜電力使兩平板之間的間 隙減少，從而引起位移和機(jī)械回復(fù)力，在靜態(tài)平衡下，機(jī)械回復(fù)力與靜電力大小相等，方向 相反。其中，機(jī)械回復(fù)力隨著極板位置線性變化，而靜電力則隨著極板位置非線性變化。
[0003] 在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，機(jī)械沖擊不可避免。在機(jī)械沖擊作用下，可動(dòng)平板將會發(fā)生位 移，由前面分析可W知道，此時(shí)就算施加在平板間的電壓沒有發(fā)生變化，但由于兩平板之間 的間隙發(fā)生改變，將會導(dǎo)致靜電力也發(fā)生改變，運(yùn)可能會導(dǎo)致開關(guān)出現(xiàn)誤動(dòng)作：本來不應(yīng)該 發(fā)生接觸的偏置電壓條件下，由于外界機(jī)械沖擊的作用，導(dǎo)致開關(guān)出現(xiàn)意外的閉合接觸動(dòng) 作，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品使用的穩(wěn)定性和可靠性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 基于此，有必要針對上述問題，提供一種可分析評價(jià)靜電換能器穩(wěn)定性和可靠性 的靜電換能器可靠性分析方法和系統(tǒng)。 陽〇化]一種靜電換能器可靠性分析方法，包括W下步驟：
[0006] 對靜電換能器的輸入電極和偏置電極施加偏置電壓，所述偏置電壓大于所述靜電 換能器的保持電壓并小于所述靜電換能器的下拉電壓； 陽007] 根據(jù)預(yù)設(shè)的沖擊量級對所述靜電換能器施加沖擊載荷，進(jìn)行機(jī)械沖擊；
[000引在機(jī)械沖擊過程中監(jiān)測所述靜電換能器的輸入電極與輸出電極之間的電阻值；
[0009] 調(diào)節(jié)所述偏置電壓的幅值，并在所述電阻值從無窮大到有限值跳變時(shí)，測量得到 當(dāng)前沖擊量級下所述靜電換能器產(chǎn)生誤觸發(fā)的最小偏置電壓并輸出。
[0010] 一種靜電換能器可靠性分析系統(tǒng)，包括： W11] 電壓施加模塊，用于對靜電換能器的輸入電極和偏置電極施加偏置電壓，所述偏 置電壓大于所述靜電換能器的保持電壓并小于所述靜電換能器的下拉電壓；
[0012] 機(jī)械沖擊模塊，用于根據(jù)預(yù)設(shè)的沖擊量級對所述靜電換能器施加沖擊載荷，進(jìn)行 機(jī)械沖擊；
[0013] 阻值監(jiān)測模塊，用于在機(jī)械沖擊過程中監(jiān)測所述靜電換能器的輸入電極與輸出電 極之間的電阻值；
[0014] 偏置計(jì)算模塊，用于調(diào)節(jié)所述偏置電壓的幅值，并在所述電阻值從無窮大到有限 值跳變時(shí)，測量得到當(dāng)前沖擊量級下所述靜電換能器產(chǎn)生誤觸發(fā)的最小偏置電壓并輸出。
[0015] 上述靜電換能器可靠性分析方法和系統(tǒng)，對靜電換能器的輸入電極和偏置電極施 加偏置電壓；根據(jù)預(yù)設(shè)的沖擊量級對靜電換能器施加沖擊載荷，進(jìn)行機(jī)械沖擊。在機(jī)械沖擊 過程中監(jiān)測靜電換能器的輸入電極與輸出電極之間的電阻值；調(diào)節(jié)所述偏置電壓的幅值， 并在電阻值從無窮大到有限值跳變時(shí)，測量得到當(dāng)前沖擊量級下靜電換能器產(chǎn)生誤觸發(fā)的 最小偏置電壓并輸出。實(shí)現(xiàn)在一定的機(jī)械沖擊條件下，獲得會導(dǎo)致可動(dòng)平板下拉而產(chǎn)生誤 觸發(fā)的最小偏置電壓，支撐靜電換能器的抗沖擊設(shè)計(jì)W及對機(jī)械沖擊和靜電力禪合所引起 的誤接觸動(dòng)作的預(yù)測和預(yù)防等，提高了靜電換能器的穩(wěn)定性和可靠性。
【附圖說明】
[0016] 圖1為一實(shí)施例中靜電換能器可靠性分析方法的流程圖；
[0017] 圖2為一實(shí)施例中下拉電壓及保持電壓的測試原理示意圖；
[001引圖3另一實(shí)施例中靜電換能器可靠性分析方法的流程圖；
[0019] 圖4為一實(shí)施例中靜電換能器可靠性分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；
[0020] 圖5為另一實(shí)施例中靜電換能器可靠性分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 一種靜電換能器可靠性分析方法，適用于機(jī)械沖擊與靜電力禪合對靜電換能器可 靠性影響的分析。由于靜電力本身的大小是位移的函數(shù)，當(dāng)施加在平行板電容器結(jié)構(gòu)的兩 個(gè)平行板上的電壓增加時(shí)，靜電力隨著電荷的增加而增大。同時(shí)，力的增大使間隙高度減 小，而間隙高度的減小又依次使電容、電荷和電場增大。在靜電力作用下，當(dāng)可動(dòng)平板運(yùn)動(dòng) 到兩平板間隙的Ξ分之二處時(shí)，隨著兩平板間電壓的增加，靜電力的增加遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于回復(fù)力 的增加，其結(jié)果是可動(dòng)平板產(chǎn)生下塌從而與固定平板接觸。
[0022] 定義使可動(dòng)平板運(yùn)動(dòng)到兩平板間隙的Ξ分之二處的電壓為下拉電壓Vpi，則由W 上分析可W看出，當(dāng)兩平板之間的偏置電壓為V〉Vpi時(shí)，可動(dòng)平板產(chǎn)生下塌而與固定平板接 觸，當(dāng)兩平板之間的偏置電壓為￥八。1時(shí)，則兩平板不會發(fā)生接觸?；谠撎匦?，可W構(gòu)建多 種靜電MEMS器件，如RFMEMS開關(guān)，W兩平板之間的偏置電壓作為控制信號：當(dāng)V〉Vpi時(shí)，開 關(guān)電極接觸，實(shí)現(xiàn)開關(guān)"開"的功能，當(dāng)V<Vpi時(shí)，開關(guān)電極保持開路，實(shí)現(xiàn)"關(guān)"的功能。
[0023] RFMEMS開關(guān)為Ξ端結(jié)構(gòu)，包括輸入電極（對應(yīng)于可動(dòng)平板）、輸出電極和偏置電 極（對應(yīng)于固定平板），根據(jù)RFMEMS開關(guān)的工作原理，在輸入電極和偏置電極之間施加一 直流偏置電壓V〉Vpi的話，則輸入電極就會被下拉到與輸出電極接觸，形成射頻信號的傳輸 路徑，當(dāng)輸入電極和偏置電極之間的偏置電壓V小于保持電壓Vp"(V<Vp。）的話，則輸入電極 斷開與輸出電極的接觸，形成開路。
[0024] 對于RFMEMS開關(guān)，當(dāng)一個(gè)射頻電壓V施加在兩個(gè)平行金屬板之間，平行板的重 疊區(qū)域?yàn)锳，間距為g，可定義射頻電壓V:
[00巧]V(t)=V〇cos(2πft)
[0026]其中V。是振幅，f為頻率和t是時(shí)間。該電壓產(chǎn)生一個(gè)靜電力Fw。不考慮電容失 配，即沒有反射，則該靜電力為：
[0027]
[0028] 其中ε。是自由空間的介電常數(shù)。該力的低頻部分對應(yīng)于板之間所承受的力，該 力等效的直流電壓等于：
[0029]
[0030] 因此，施加在平板之間的射頻電壓，都有一個(gè)等效電壓V。。使平行板之間產(chǎn)生靜電 力，在沖擊環(huán)境中，沖擊與等效的直流電壓的禪合可能會導(dǎo)致可動(dòng)平板下拉而產(chǎn)生誤動(dòng)作， 即使等效的直流電壓低于該開關(guān)正常條件下的下拉電壓Vpi。
[0031] 為便于理解，全文均WRFMEMS開關(guān)為例對靜電換能器可靠性分析方法進(jìn)行解釋 說明，如圖1所示，包括W下步驟：
[0032] 步驟S140 :對靜電換能器的輸入電極和偏置電極施加偏置電壓。偏置電壓大于靜 電換能器的保持電壓并小于靜電換能器的下拉電壓。具體可先通過合適的夾具將RFMEMS 開關(guān)固定在沖擊臺上，W便后續(xù)進(jìn)行機(jī)械沖擊測試。將RFMEMS開關(guān)按圖2所示電路圖進(jìn) 行連接，將RFMEMS開關(guān)1的輸入電極la與具有電壓掃描功能的直流電源2的負(fù)端2a相 連接，偏置電極Ic與直流電源2的正端化相連接；同時(shí)輸入電極la與能夠?qū)崟r(shí)測試電阻 的儀表3的負(fù)端3a相連接，輸出電極化與儀表3的正端3b相連接。 W33] 可預(yù)先測得RFMEMS開關(guān)的保持電壓Vp。和下拉電壓Vpi，保持RFMEMS開關(guān)處于 通電狀態(tài)后，對輸入電極la和偏置電極Ic施加偏置電壓Vb，Vb的取值范圍為：Vp"<Vb<Vpi， 同時(shí)還可通過儀表3監(jiān)測輸入電極la與輸出電極化之間的電阻值R。
[0034] 步驟S150:根據(jù)預(yù)設(shè)的沖擊量級對靜電換能器施加沖擊載荷，進(jìn)行機(jī)械沖擊。預(yù) 設(shè)的沖擊量級的具體取值可根據(jù)實(shí)際情況選取。在沖擊環(huán)境中，機(jī)械沖擊脈沖會使可動(dòng)平 板產(chǎn)生位移，對于一定量級的機(jī)械沖擊，在RFMEMS開關(guān)不上電的條件下，可能不會導(dǎo)致輸 入電極la與輸出電極化的碰撞接觸，但是當(dāng)RFMEMS開關(guān)的輸入電極la上存在射頻信號 時(shí)，等效于一個(gè)射頻信號等效電壓V。。使平行板之間產(chǎn)生靜電力，由于機(jī)械沖擊和靜電力的 禪合作用，可能會導(dǎo)致輸入電極la被下拉至與輸出電極化接觸。
[0035] 如果在沖擊瞬間，輸入電極la與輸出電極化碰撞接觸，但沖擊結(jié)束之后，輸入電 極la就與輸出電極lb分開，那么輸入電極la就與