[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

说明书

本发明涉及一种用于微机电器件应力检测的片上谐振梁结构及检测方法，其包括微机电器件和谐振梁；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；谐振梁采用U型结构，其设置在结构层和基片层之间，U型结构的顶部和底部的两端通过3个锚点固定到基片层上；谐振梁的U型结构内部设置有一个检测电极，该检测电极的端部通过锚点与基片层固定连接；谐振梁的U型结构的外部上、下两侧各设置一个外部检测电极，两外部检测电极通过锚点与基片层固定连接；谐振梁与内、外部检测电极之间设置有电容，在谐振梁与检测电极之间施加电压产生静电力驱动谐振梁振动，通过检测电极与谐振梁之间电容量的变化检测谐振梁的振动。本发明可以广泛应用于微机电器件的应力检测领域。

技术领域

本发明属于微机电传感器与执行器、微机电系统技术领域，特别是涉及一种用于微机电器件应力检测的片上谐振梁结构及检测方法。

背景技术

微机电器件结构中的应力常常是影响器件性能的重要因素。有些传感器本身是靠应力效应来完成对物理量的敏感的，比如依靠应力-电阻转换效应的加速度计和依靠压电效应的微机电麦克风。在这些情况下结构应力会直接导致不期望的传感器输出。在另外一些传感器和执行器中，结构应力的变化会导致器件结构几何参数的改变。例如在采用力平衡闭环控制的电容式加速度计中，如果应力使敏感质量块的位置发生了偏移，控制电路将产生电压纠正这个偏移，从而造成加速度计零偏的变化。在微机电角速率陀螺中，当敏感质量块的位置发生偏移，则结构在各个方向上的支承刚度会发生改变，陀螺的耦合信号以及零偏会随之改变。

使结构应力发生变化的主要因素常常是温度。不同材料，比如硅和玻璃，具有不相等的热膨胀系数，所以键合在一起的不同材料在温度发生变化时，结构内部的应力就会变化。而且材料的热膨胀系数也是随着温度变化的，所以热应力与温度之间并非简单的线性关系。这样微机电传感器的输出与温度之间往往也呈现出非线性关系。

现有的应力测试方法列举如下：

1)表面加工的测试结构，以电镀的金作为结构层，设计以隆起和转动为指示原理的应力测试结构，用光学形貌仪测量结构的变形。

2)设计梁结构，用扫描激光多普勒测振仪测量梁的谐振频率，得到残余应力参数。

3)设计两端固定的梁和接触检测电极，应力会引起梁发生横向位移，使之与旁边的电极相接触而导电，从而判断变形及应力的大小。

4)通过拉曼光谱测量多晶硅MEMS器件的残余应力。

5)在器件的封装方面，利用压阻效应测试结构的封装应力。

然而，上述各方法中，采用光学仪器测量应力的方法受器件封装情况的限制，一般情况下，微结构封装后就不可能再实施光学测量。通过结构变形导致电极接触的方法测量应力，一般只能设置有限的几个电极，只能反映应力的大致范围，测量精度差。压阻效应的温度特性不好，应力测量结果受温度的影响较大。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种用于微机电器件应力检测的片上谐振梁结构及检测方法，采用谐振梁作为应力检测元件，通过测试谐振梁的自然频率检测结构应力。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种用于微机电器件应力检测的片上谐振梁结构，其包括微机电器件以及设置在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。