[发明专利]用于微机电器件应力检测的片上谐振梁结构及检测方法

权利要求书

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，计算得到谐振梁的一阶自然频率f₀与轴向力N的关系；

2.3)当温度变化时，根据谐振梁的一阶自然频率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，所述谐振梁的一阶自然频率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，所述谐振梁的一阶自然频率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。