靜電換能器可靠性試驗(yàn)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(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，特別是設(shè)及一種靜電換能器可靠性試驗(yàn)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(chǔ)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(Mic;ro Electro Mechanical Systems,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(huì)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(huì)發(fā)生位 移，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(huì) 導(dǎo)致靜電力也發(fā)生改變運(yùn)可能會(huì)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(duì)上述問題，提供一種可提高靜電換能器穩(wěn)定性和可靠性的靜 電換能器可靠性試驗(yàn)方法和系統(tǒng)。
[0005] -種靜電換能器可靠性試驗(yàn)方法，包括W下步驟：
[0006] 對(duì)靜電換能器的輸入電極和偏置電極施加偏置電壓，并經(jīng)預(yù)設(shè)的分壓電阻對(duì)所述 靜電換能器的輸入電極和輸出電極施加直流電壓，所述偏置電壓小于所述靜電換能器的下 拉電壓；
[0007] 根據(jù)預(yù)設(shè)的沖擊量級(jí)對(duì)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(cè)所述分壓電阻兩端的電壓；
[0009] 調(diào)節(jié)所述偏置電壓的幅值，并在所述分壓電阻兩端的電壓大于預(yù)設(shè)電壓闊值時(shí)， 測(cè)量得到當(dāng)前沖擊量級(jí)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] -種靜電換能器可靠性試驗(yàn)系統(tǒng)，包括：
[0011] 電壓施加模塊，用于對(duì)靜電換能器的輸入電極和偏置電極施加偏置電壓，并經(jīng)預(yù) 設(shè)的分壓電阻對(duì)所述靜電換能器的輸入電極和輸出電極施加直流電壓，所述偏置電壓小于 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(jí)對(duì)所述靜電換能器施加沖擊載荷，進(jìn)行 機(jī)械沖擊；
[0013] 電壓監(jiān)測(cè)模塊，用于在機(jī)械沖擊過程中監(jiān)測(cè)所述分壓電阻兩端的電壓；
[0014] 偏置計(jì)算模塊，用于調(diào)節(jié)所述偏置電壓的幅值，并在所述分壓電阻兩端的電壓大 于預(yù)設(shè)電壓闊值時(shí)，測(cè)量得到當(dāng)前沖擊量級(jí)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試驗(yàn)方法和系統(tǒng)，對(duì)靜電換能器的輸入電極和偏置電極施 加偏置電壓，并經(jīng)預(yù)設(shè)的分壓電阻對(duì)靜電換能器的輸入電極和輸出電極施加直流電壓;根 據(jù)預(yù)設(shè)的沖擊量級(jí)對(duì)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(cè)分 壓電阻兩端的電壓;調(diào)節(jié)偏置電壓的幅值，并在分壓電阻兩端的電壓大于預(yù)設(shè)電壓闊值時(shí)， 測(cè)量得到當(dāng)前沖擊量級(jí)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(huì)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(duì)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(cè)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試驗(yàn)方法的流程圖；
[0017] 圖2為機(jī)械沖擊和靜電力禪合作用下輸入電極和輸出發(fā)生接觸的事件監(jiān)測(cè)的原理 結(jié)構(gòu)圖；
[0018] 圖3為另一實(shí)施例中靜電換能器可靠性試驗(yàn)方法的流程圖；
[0019] 圖4為一實(shí)施例中保持電壓和下拉電壓的測(cè)試原理圖；
[0020] 圖5為一實(shí)施例中靜電換能器可靠性試驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；
[0021] 圖6為另一實(shí)施例中靜電換能器可靠性試驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022] -種靜電換能器可靠性試驗(yàn)方法，適用于機(jī)械沖擊與靜電力禪合對(duì)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(chǎng)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。
[0023] 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V<Vpi時(shí)，則兩平板不會(huì)發(fā)生接觸?；谠撎匦裕蒞構(gòu)建多種靜 電MEMS器件，如RF MEMS開關(guān)，W兩平板之間的偏置電壓作為控制信號(hào)：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。
[0024] RF MEMS開關(guān)為Ξ端結(jié)構(gòu)，包括輸入電極(對(duì)應(yīng)于可動(dòng)平板）、輸出電極和偏置電極 (對(duì)應(yīng)于固定平板），根據(jù)RF MEMS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(huì)被下拉到與輸出電極接觸，形成射頻信號(hào)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VpD(V<Vp。)的話，則輸入電極斷開與 輸出電極的接觸，形成開路。
[002引對(duì)于RF MEMS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%] V(t) =Vocos(化 ft)
[0027]其中Vo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Frf。不考慮電容失配， 即沒有反射，則該靜電力為：
[002引
[0029] 其中ε〇是自由空間的介電常數(shù)。該力的低頻部分對(duì)應(yīng)于板之間所承受的力，該力 等效的直流電壓等于：
[0030]
[0031] 因此，施加在平板之間的射頻電壓，都有一個(gè)等效電壓Veq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(huì)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。
[0032] 為便于理解，全文均WRF MEMS開關(guān)為例對(duì)靜電換能器可靠性試驗(yàn)方法進(jìn)行解釋 說明，如圖1所示，上述方法包括W下步驟：
[0033] 步驟S140:對(duì)靜電換能器的輸入電極和偏置電極施加偏置電壓，并經(jīng)預(yù)設(shè)的分壓 電阻對(duì)靜電換能器的輸入電極和輸出電極施加直流電壓。
[0034] 偏置電壓小于靜電換能器的下拉電壓。具體可先通過合適的夾具將RF MEMS開關(guān) 固定在沖擊臺(tái)上，W便后續(xù)進(jìn)行機(jī)械沖擊測(cè)試。將RF MEMS開關(guān)按圖2所示電路圖進(jìn)行連接， 直流電源2通過其兩端2a和化分別與RF MEMS開關(guān)1的輸入電極la和偏置電極Ic連接從而向 其施加偏置電壓Vb，輸出電極化與分壓電阻4的一端連接，同時(shí)，分壓電阻4的另一端連接到 電源3的正端，電源3的另一端與輸入電極la和直流電源2的負(fù)極2a相連接。電壓監(jiān)測(cè)儀表5 連接在分壓電阻4的兩端，電壓監(jiān)測(cè)儀表5具體可采用示波器。
[0035] 可預(yù)先測(cè)得RF MEMS開關(guān)的下拉電壓Vpi，保持RF MEMS開關(guān)處于通電狀態(tài)，并對(duì)輸 入電極la和偏置電極Ic施加偏置電壓化，其中^<Vpi，設(shè)置并使電源3處于輸出狀態(tài)。
[0036] 步驟S150:根據(jù)預(yù)設(shè)的沖擊量級(jí)對(duì)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(jí)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(huì)使可動(dòng)平板 產(chǎn)生位移，對(duì)于一定量級(jí)的機(jī)械沖擊，在RF MEMS開關(guān)不上電的條件下，可能不會(huì)導(dǎo)致輸入 電極la與輸出電極化的碰撞接觸，但是當(dāng)RF MEMS開關(guān)的輸入電極la上存在射頻信號(hào)時(shí)，等 效于一個(gè)射頻信號(hào)等效電壓Veq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(huì)導(dǎo)致輸入電極la被下拉至與輸出電極lb接觸。
[0037] 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就與輸出電極化分開，那么輸入電極la就與輸出電極化的接觸時(shí)間的長(zhǎng)度將與機(jī)械沖擊 的脈沖寬度同個(gè)量級(jí)，根據(jù)GJB548B-2005中方法2002.1對(duì)機(jī)械沖擊的規(guī)定，500g峰值加速 度的對(duì)應(yīng)脈沖寬度為1ms，而20000g峰值加速度的脈沖寬度僅為0.2ms，在該時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)，如 果通過實(shí)時(shí)測(cè)試輸入電極la與輸出電極化之間的接觸電阻來判斷兩者之間是否發(fā)生接觸 將極為困難，因?yàn)榻佑|電阻的變化周期太小，測(cè)試電阻值的儀表難W運(yùn)么快速地響應(yīng)并獲 得實(shí)時(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)，特別是，試驗(yàn)中通常需要通過PC工作站進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與保存，此時(shí)由于 PC工作站與測(cè)試電阻值的儀表之間通訊速度的限制，更加難ww毫秒或者納秒的采樣周期 進(jìn)行接觸電阻的采樣與保存，從而難W判斷沖擊過程輸入電極la與輸出電極化之間是否發(fā) 生接觸。
[0038] 因此，W