靜電換能器可靠性分析方法和系統的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及儀器測試技術領域，特別是設及一種靜電換能器可靠性分析方法和系 統。
【背景技術】
[0002] 靜電換能器由兩個可W存儲相反電荷的導體所構成的電容器，在功能上包括傳感 器與執行器，常見的靜電MEMS(MicroElectroMechanicalSystems,微機電系統）器件包 括RF(Radio化equency，射頻）MEMS開關、MEMS慣性器件、MEMS壓力傳感器等。W靜電力 為驅動的平行板電容器結構，通常是一個平行板固定（固定平板），另一個平板由機械彈黃 懸支（可動平板），當兩個平行板上時加電壓時就會產生靜電力，靜電力使兩平板之間的間 隙減少，從而引起位移和機械回復力，在靜態平衡下，機械回復力與靜電力大小相等，方向 相反。其中，機械回復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] 在實際應用環境中，機械沖擊不可避免。在機械沖擊作用下，可動平板將會發生位 移，由前面分析可W知道，此時就算施加在平板間的電壓沒有發生變化，但由于兩平板之間 的間隙發生改變，將會導致靜電力也發生改變，運可能會導致開關出現誤動作：本來不應該 發生接觸的偏置電壓條件下，由于外界機械沖擊的作用，導致開關出現意外的閉合接觸動 作，嚴重影響了產品使用的穩定性和可靠性。

【發明內容】

[0004] 基于此，有必要針對上述問題，提供一種可分析評價靜電換能器穩定性和可靠性 的靜電換能器可靠性分析方法和系統。 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] 根據預設的沖擊量級對所述靜電換能器施加沖擊載荷，進行機械沖擊；
[000引在機械沖擊過程中監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] 調節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，測量得到 當前沖擊量級下所述靜電換能器產生誤觸發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，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] 機械沖擊模塊，用于根據預設的沖擊量級對所述靜電換能器施加沖擊載荷，進行 機械沖擊；
[0013] 阻值監測模塊，用于在機械沖擊過程中監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] 偏置計算模塊，用于調節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，測量得到當前沖擊量級下所述靜電換能器產生誤觸發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，對靜電換能器的輸入電極和偏置電極施 加偏置電壓；根據預設的沖擊量級對靜電換能器施加沖擊載荷，進行機械沖擊。在機械沖擊 過程中監測靜電換能器的輸入電極與輸出電極之間的電阻值；調節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，測量得到當前沖擊量級下靜電換能器產生誤觸發的 最小偏置電壓并輸出。實現在一定的機械沖擊條件下，獲得會導致可動平板下拉而產生誤 觸發的最小偏置電壓，支撐靜電換能器的抗沖擊設計W及對機械沖擊和靜電力禪合所引起 的誤接觸動作的預測和預防等，提高了靜電換能器的穩定性和可靠性。
【附圖說明】
[0016] 圖1為一實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為一實施例中靜電換能器可靠性分析系統的結構圖；
[0020] 圖5為另一實施例中靜電換能器可靠性分析系統的結構圖。
【具體實施方式】
[0021] 一種靜電換能器可靠性分析方法，適用于機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，當施加在平行板電容器結構的兩 個平行板上的電壓增加時，靜電力隨著電荷的增加而增大。同時，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，當可動平板運動 到兩平板間隙的Ξ分之二處時，隨著兩平板間電壓的增加，靜電力的增加遠遠大于回復力 的增加，其結果是可動平板產生下塌從而與固定平板接觸。
[0022] 定義使可動平板運動到兩平板間隙的Ξ分之二處的電壓為下拉電壓Vpi，則由W 上分析可W看出，當兩平板之間的偏置電壓為V〉Vpi時，可動平板產生下塌而與固定平板接 觸，當兩平板之間的偏置電壓為￥八。1時，則兩平板不會發生接觸。基于該特性，可W構建多 種靜電MEMS器件，如RFMEMS開關，W兩平板之間的偏置電壓作為控制信號：當V〉Vpi時，開 關電極接觸，實現開關"開"的功能，當V<Vpi時，開關電極保持開路，實現"關"的功能。
[0023] RFMEMS開關為Ξ端結構，包括輸入電極（對應于可動平板）、輸出電極和偏置電 極（對應于固定平板），根據RFMEMS開關的工作原理，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，當一個射頻電壓V施加在兩個平行金屬板之間，平行板的重 疊區域為A，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是時間。該電壓產生一個靜電力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。該力的低頻部分對應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，都有一個等效電壓V。。使平行板之間產生靜電 力，在沖擊環境中，沖擊與等效的直流電壓的禪合可能會導致可動平板下拉而產生誤動作， 即使等效的直流電壓低于該開關正常條件下的下拉電壓Vpi。
[0031] 為便于理解，全文均WRFMEMS開關為例對靜電換能器可靠性分析方法進行解釋 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 開關固定在沖擊臺上，W便后續進行機械沖擊測試。將RFMEMS開關按圖2所示電路圖進 行連接，將RFMEMS開關1的輸入電極la與具有電壓掃描功能的直流電源2的負端2a相 連接，偏置電極Ic與直流電源2的正端化相連接；同時輸入電極la與能夠實時測試電阻 的儀表3的負端3a相連接，輸出電極化與儀表3的正端3b相連接。 W33] 可預先測得RFMEMS開關的保持電壓Vp。和下拉電壓Vpi，保持RFMEMS開關處于 通電狀態后，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， 同時還可通過儀表3監測輸入電極la與輸出電極化之間的電阻值R。
[0034] 步驟S150:根據預設的沖擊量級對靜電換能器施加沖擊載荷，進行機械沖擊。預 設的沖擊量級的具體取值可根據實際情況選取。在沖擊環境中，機械沖擊脈沖會使可動平 板產生位移，對于一定量級的機械沖擊，在RFMEMS開關不上電的條件下，可能不會導致輸 入電極la與輸出電極化的碰撞接觸，但是當RFMEMS開關的輸入電極la上存在射頻信號 時，等效于一個射頻信號等效電壓V。。使平行板之間產生靜電力，由于機械沖擊和靜電力的 禪合作用，可能會導致輸入電極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