微机电系统梁振动疲劳可靠性在线自动测试方法及系统

摘要

本发明公开一种在线式微机电系统梁振动疲劳特性自动测试系统，由电压产生模块、放大器、梁、定时器、电压检测模块、保护电路和数据输出模块组成。本发明采用以下技术方案，首先用交流电压在微机电系统梁上加载振动疲劳载荷使其振动特定次数，撤去上述振动疲劳载荷，然后在所述梁上加载直流测量电压，测得反映梁疲劳特性的吸合电压值，重复上述步骤使得加载与测量交替进行，得到反映所述梁疲劳特性的吸合电压值与所述梁振动次数的关系，本发明将振动疲劳载荷的加载与疲劳特性测试一体化，从而使该系统更简单，并且测量过程完全自动化，全程可无人值守。

说明书

技术领域

本发明涉及一种MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)器件性能的在线自动测量方法及系统，尤其涉及一种微机电系统梁振动载荷下疲劳可靠性在线自动测试方法及系统。

背景技术

MEMS英文全称为Microelectromechanical System，意思为微电子-机械系统，简称微机电系统。

微机电系统梁为机械类器件，多种应用中它们会不断的振动，随着振动次数的增加，微机电系统梁会发生疲劳失效。微机电系统梁在振动载荷作用下的疲劳测试，由于发生疲劳失效的循环次数很高，一般不低于10⁹次，测试微机电系统梁的疲劳性能需要花费很长的时间，因此一种可在线自动测试微机电系统梁疲劳可靠性系统的设计可以方便地对微机电系统梁进行疲劳测试和性能评价。至目前为止还没有这类可在线测试微机电系统梁振动载荷作用下的疲劳测试系统的报道。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种微机电系统梁振动疲劳可靠性在线自动测试方法，该方法简单、省时、实用。

本发明的另一个发明目的是提供一种微机电系统梁振动疲劳可靠性在线自动测试系统，测量系统具有简单、实用、省时、自动测试的特点，可使得加载疲劳载荷以及测量一体化。

本发明采用如下方案：

一种微机电系统梁振动疲劳可靠性在线自动测试方法，首先用交流电压在微机电系统梁上加载振动疲劳载荷使其振动特定次数，撤去上述振动疲劳载荷，然后在所述微机电系统梁上加载直流测量电压，测得反映所述微机电系统梁疲劳特性的吸合电压值，重复上述步骤使得加载与测量交替进行，得到反映所述微机电系统梁疲劳特性的吸合电压值与所述微机电系统梁振动次数的关系。

上述技术方案中，所述振动疲劳载荷的加载与微机电系统梁吸合电压的测量通过程序控制。

一种微机电系统梁振动疲劳可靠性在线自动测试系统，由电压产生模块10、放大器20、微机电系统梁30、定时器40、电压检测模块50、保护电路60和数据输出模块70组成，电压产生模块10产生交流电压或者直流电压，通过程序控制交、直流电压的转换，产生的电压经过放大器20放大后加载到微机电系统梁30上从而分别交替完成加载和吸合电压的测量过程，交流电压使微机电系统梁30产生振动而致疲劳，直流电压作为微机电系统梁30吸合电压测量电压，电压检测模块50通过检测保护电路60两端的电压变化，测得保护电路60有电压降的同时，记录吸合电压值并通过数据输出模块70输出电压产生模块10此时的吸合电压值数据，交流电压与直流电压的切换通过定时器40控制。

上述技术方案中，所述电压产生模块10产生交流电压信号，交流电压加载时间到达，定时器发出中断信号，此时电压产生模块10产生直流电压，当微机电系统梁30发生吸合时，电压检测模块50检测到保护电路60两端有电压，发送给电压产生模块10一个信号，电压产生模块10产生交流电压，定时器40同时工作，这一过程不断反复进行，直到疲劳加载时间到达。

所述放大器20将电压产生模块10产生的交流电压或者直流电压进行放大，当输出电压为交流电压时，经放大器20放大的电压作为微机电系统梁30的振动疲劳载荷，当电压输出为直流电压时，经放大器20放大的电压作为微机电系统梁30的吸合电压测量的加载电压。保护电路60用来保护电压检测模块50。电压产生模块10输出的直流电压值从设定值附近加载，该设定值低于吸合电压。

上述技术方案中，所述电压产生模块10通过编程来控制交流电压输出的频率与幅值，并通过放大器20放大到需要的幅值，同时可以控制直流输出电压递增的步进时间，交流电压向直流电压的转换是通过定时器40产生中断信号到电压产生模块10，直流电压向交流电压的转换通过电压检测模块50发送一个信号给电压产生模块10，再由程序控制交、直流电压的转换。

上述技术方案中，所述放大器20是用来将电压产生模块10输出的交流或直流电压分别进行放大，如果输出为交流电压，将放大的交流电压加到微机电系统梁30上作为振动疲劳载荷；如果输出为直流电压，放大后的直流步进电压作为微机电系统梁30的吸合电压的测量电压。

上述技术方案中，所述电压检测模块50是用来检测保护电路50两端的电压值，当保护电路两端有电压降时，电压检测模块检测到电压值并发送一个信号给电压产生模块10，通过程序控制，将电压产生模块10产生的吸合电压值输出到数据输出模块70中。

本发明的工作原理：微机电系统梁的构成主要包括衬底、第一上电极锚区、第二上电极锚区、第一下电极锚区、第一下电极、多晶硅梁结构。测试过程中，当加载电压为交流电压时，多晶硅梁结构与第一下电极分离，多晶硅梁结构与第一下电极之间断路，保护电路直流电压为零，交流电压对多晶硅梁结构施加循环载荷，多晶硅梁结构在交流电压作用下不断振动；当施加电压为直流电压时，此直流电压是从某一起始值、以一个设定的电压递增时间变化的电压，此时这个多晶硅梁结构与第一下电极间由于静电力的作用相互吸引，相互靠拢，当施加直流电压达到某一临界值时，多晶硅梁结构与第一下电极接触，两者处于导通状态，多晶硅梁结构发生吸合，记录这一瞬间的加载电压值，并且储存数据值，同时加载的直流电压转换为交流电压，多晶硅梁结构与第一下电极分离，两者处于断路的状态。吸合电压的变化能够反映微机电系统梁性能的改变，通过对记录的吸合电压值分析，能够得到微机电系统梁在振动加载后器件的性能变化。

本发明获得如下技术效果：

1.本发明利用交流电压作为微机电系统梁的周期振动载荷，加载一定周期后，改用直流电压加载，测量微机电系统梁的吸合电压值，多个循环加载周期后，微机电系统梁的性能改变能够从吸合电压值的改变反映出来。本发明将振动疲劳载荷的加载与疲劳特性自动测量一体化，从而使得该方法更简单，成本较低。

2.本发明只需要通过程序设定好振动疲劳加载时间、交流电压的频率与幅值、直流电压步进时间、定时器的时间，系统自动进行微机电系统梁振动载荷作用下的疲劳测试，采集反映器件疲劳性能变化的吸合电压值，使上述加载以及测量步骤更加自动、可控、简单，不需要大量的人力成本，因而成本得到了进一步的降低，全过程可无人值守。

3.本发明的系统仅采用几个常规的部件，其中电压产生模块产生交流电压或者直流步进电压，交流电压到直流电压的转换是通过定时器向电压产生模块发送一个信号，并由程序控制交流电压向直流电压的转换；直流电压向交流电压的转换是通过信号检测模块向电压产生模块发送一个信号，再由程序控制交、直流电压的转换，可以由编写的程序控制总的交流电压加载次数即振动疲劳载荷次数，此种方法使得系统更简单。

4.本发明通过电压产生模块、放大器、定时器及编写的程序实现疲劳载荷与测试载荷的输出与转换，可以实现低周和高周疲劳试验，也适合于具有不同疲劳强度的多种材料微机电系统梁的疲劳试验。

5.本发明采用的装置仅需做少量的硬件扩充就可以实现其它形式下的疲劳性能测试，容易扩充测试的范围，例如微机电系统梁在做高温下的疲劳实验，可扩充加热装置对微机电系统梁进行加热，利用本发明的装置定时测量反映疲劳性能变化的吸合电压值。

6.当微机电系统梁30发生吸合过程中产生过高的电压使电压检测模块50烧毁。

7.本发明在测量吸合电压时，通过将初始直流电压直接加到低于吸合电压值附近的设定值，然后再逐步加大，进一步节约了时间。该设定值可取自于比吸合电压稍低的值。

附图说明

图1微机电系统梁正面全局图

图2微机电系统梁剖视图

图3微机电系统梁振动载荷下疲劳可靠性在线自动测试系统的装配图

图4微机电系统梁振动载荷下疲劳可靠性在线自动测试系统的程序流程图

图5微机电系统梁直流电压加载下吸合电压测量过程图

图6吸合电压与疲劳加载周期的关系图

具体实施方式

下面结合具体的实施方式进行说明：

实施例1

一种微机电系统梁振动疲劳可靠性在线自动测试系统，微机电系统梁的材料为多晶硅，微机电系统梁的几何尺寸：长度为300μm，宽度为30μm，厚度为2μm，梁单元与衬底间距为2μm，首先用交流电压在微机电系统梁上加载振动疲劳载荷使其振动特定次数，交流电压幅值为7V，频率为20KHz，交流电压加

载时间为100分钟，然后，撤去上述振动疲劳载荷(即停止加交流信号，然后在所述微机电系统梁上加载直流测量电压，直流测量电压从40V开始加，直到梁发生吸合，测得反映所述微机电系统梁疲劳特性的吸合电压值，重复上述步骤使加载与测量交替进行，直至所述微机电系统梁交流电压加载时间达到1500分钟，得到反映所述微机电系统梁疲劳特性的吸合电压值与所述微机电系统梁振动次数的关系。

上述技术方案中，所述振动疲劳载荷的加载与微机电系统梁吸合电压的测量通过程序控制。

实施例2

一种微机电系统梁振动疲劳可靠性在线自动测试系统，由电压产生模块10、放大器20、微机电系统梁30、定时器40、电压检测模块50、保护电路60和数据输出模块70组成，电压产生模块10产生交流电压或者直流电压，通过程序控制交、直流电压的转换，产生的电压经过放大器20放大后加载到微机电系统梁30上从而分别交替完成加载和吸合电压的测量过程，交流电压使微机电系统梁30产生振动而致疲劳，直流电压作为微机电系统梁30吸合电压测量电压，电压检测模块50通过检测保护电路60两端的电压变化，测得保护电路60有电压降的同时，记录吸合电压值并通过数据输出模块70输出电压产生模块10此时的吸合电压值数据，交流电压与直流电压的切换通过定时器40控制。

上述技术方案中，所述电压产生模块10产生交流电压信号，交流电压加载时间到达，定时器发出中断信号，此时电压产生模块10产生直流电压，当微机电系统梁30发生吸合时，电压检测模块50检测到保护电路60两端有电压，发送给电压产生模块10一个信号，电压产生模块10产生交流电压，定时器40同时工作，这一过程不断反复进行，直到疲劳加载时间到达。

所述放大器20将电压产生模块10产生的交流电压或者直流电压进行放大，当输出电压为交流电压时，经放大器20放大的电压作为微机电系统梁30的振动疲劳载荷，当电压输出为直流电压时，经放大器20放大的电压作为微机电系统梁30的吸合电压测量的加载电压。保护电路60用来保护电压检测模块50。电压产生模块10输出的直流电压值从设定值附近加载，该设定值低于吸合电压。

上述技术方案中，所述电压产生模块10通过编程来控制交流电压输出的频率与幅值，并通过放大器20放大到需要的幅值，同时可以控制直流输出电压递增的步进时间，交流电压向直流电压的转换是通过定时器40产生中断信号到电压产生模块10，直流电压向交流电压的转换通过电压检测模块50发送一个信号给电压产生模块10，再由程序控制交、直流电压的转换。

上述技术方案中，所述放大器20是用来将电压产生模块10输出的交流或直流电压分别进行放大，如果输出为交流电压，将放大的交流电压加到微机电系统梁30上作为振动疲劳载荷；如果输出为直流电压，放大后的直流步进电压作为微机电系统梁30的吸合电压的测量电压。

上述技术方案中，所述电压检测模块50是用来检测保护电路50两端的电压值，当保护电路两端有电压降时，电压检测模块检测到电压值并发送一个信号给电压产生模块10，通过程序控制，将电压产生模块10产生的吸合电压值输出到数据输出模块70中。

实施例3

一种在线式微机电系统梁振动疲劳特性自动测试系统，由电压产生模块10、放大器20、微机电系统梁30、定时器40、电压检测模块50、保护电路60和数据输出模块70组成，电压产生模块10产生交流电压或者直流电压，由定时器40或电压检测模块50发送一个信号给电压产生模块10、通过程序控制交、直流电压的转换，产生的电压经过放大器20放大后加载到微机电系统梁30上，完成加载或者吸合电压的测量过程，交流电压使微机电系统梁30振动发生疲劳，直流电压作为微机电系统梁30吸合电压的测量电压，电压检测模块50通过检测保护电路60两端的电压变化，测得保护电路60有电压降的同时，发送信号给电压产生模块10，将此时电压产生模块10的电压值在数据输出模块70中输出。

上述技术方案中，所述电压产生模块10由单片机11构成，单片机型号为AT89S52，单片机11通过编程可以控制交流电压加载时间、交流电压的频率与幅值，也可以控制直流电压的输出初始值、直流电压步进时间值，电压输出通过单片机11外围的八位D/A口实现，输出电压为交流电压时，定时器40时间到达时给单片机11一个中断信号，单片机11开始输出直流步进递增电压，当微机电系统梁30发生吸合时，电压检测模块50检测到保护电路60有电压降，电压检测模块50发一个信号给单片机11，单片机11控制输出交流电压，并且单片机11控制定时器40开始计时，同是单片机11的计数装置的数值自动增加1，当单片机11设定直流向交流转换次数数值到达时，单片机11停止工作，所有模块都停止工作。

上述方案中，放大器20可以根据需要选定不同数值的放大倍率，将电压产生模块10产生的交流电压或者直流电压的幅值进行放大，分别作为微机电系统梁30的振动疲劳载荷与吸合电压的测量电压，实验中选用放大器LF411、三极管MJE340组成放大电路。

上述方案中，微机电系统梁30由第一上电极锚区31、第二上电极锚区32、梁单元33、第一下电极锚区35、第一下电极34、衬底39组成。微机电系统梁30)梁单元33)一端与第一上电极锚区31)相连，另一端与第二上电极锚区32)相连，梁单元33)悬在第一下电极34)正上方，与第一下电极34)分离，第一上电极锚区31、第二上电极锚区32、第一下电极锚区35、第一下电极34全部都做到衬底39之上。

上述方案中，电压检测模块50用来检测保护电路60上的电压，电压检测模块50可由单片机11外围的八位A/D口实现，当检测到保护电路60上有电压时，电压检测模块50给单片机11一个信号，单片机11将此时的输出直流电压通过数据输出模块70输出，同时单片机11中的程序控制电压输出为交流电压，定时器40开始计时。

上述方案中，保护电路60的作用是在微机电系统梁30吸合时保护电压检测模块50，保护电路可由二极管串联而成，二极管的型号为IN4148，由于在吸合时梁单元33与第一下电极34接触导通有电流通过，此时微机电系统梁30相当于一个电阻，梁单元33与第一下电极34之间有较大的电压，保护电路60能够将微机电系统梁30的梁单元33与第一下电极34之间电压嵌制在一个较小的电压值，使电压检测模块50免于烧毁。

本发明装置的使用方法如下：

1.开始工作前，根据需要设定电压产生模块10中单片机11的程序，包括交流电压加载时间、交流电压频率、幅值，直流电压步进时间值、起始电压值，单片机11记数装置中的直流向交流转换次数设定，定时器40时间设定；

2.电压产生模块10中的单片机11先输出交流电压，定时器40开始工作，交流电压的输出一端与微机电系统梁30的第一电极锚区31或者第二上电极锚区32)连接，另一端与第一下电极锚区35相连，通过这种方法交流电压加载到梁单元33与第一下电极34之间，作为疲劳振动载荷，定时器40时间到达时，给单片机11一个中断信号，单片机11程序控制将输出电压转换为直流电压；

3.电压输出为直流电压时，直流电压经过放大器40放大之后，一端与微机电系统梁30的第一电极锚区31或者第二上电极锚区32连接，另一端与第一下电极锚区35相连，通过这种方法直流电压加载到梁单元33与第一下电极34之间，作为吸合电压的测量电压，吸合发生后电压检测模块50检测到保护电路60上有电压降，电压检测模块50发送一个信号给单片机11，单片机11将此时输出的电压值通过数据输出模块70输出，采集到吸合电压值，并且单片机11上的记数装置数值自动增加1，同时定时器40开始工作；

4.重复上面2，3步骤，直至单片机11上设定直流向交流转换次数数值到达，单片机11停止工作，其它所有模块都停止工作；

5.对数据输出模块70输出的数据进行分析，可以得出微机电系统梁性能退化的轨迹图及退化规律。