静电换能器可靠性试验方法和系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及仪器测试技术领域，特别是设及一种静电换能器可靠性试验方法和系 统。
【背景技术】
[0002] 静电换能器由两个可W存储相反电荷的导体所构成的电容器，在功能上包括传感 器与执行器，常见的静电MEMS(Mic;ro Electro Mechanical Systems,微机电系统）器件包 括RF(Radio化equency，射频)MEMS开关、MEMS惯性器件、MEMS压力传感器等。W静电力为驱 动的平行板电容器结构，通常是一个平行板固定（固定平板），另一个平板由机械弹黃悬支 (可动平板），当两个平行板上时加电压时就会产生静电力，静电力使两平板之间的间隙减 少，从而引起位移和机械回复力，在静态平衡下，机械回复力与静电力大小相等，方向相反。 其中，机械回复力随着极板位置线性变化，而静电力则随着极板位置非线性变化。
[0003] 在实际应用环境中，机械冲击不可避免。在机械冲击作用下，可动平板将会发生位 移，此时就算施加在平板间的电压没有发生变化，但由于两平板之间的间隙发生改变，将会 导致静电力也发生改变运可能会导致开关出现误动作本来不应该发生接触的偏置电压条 件下，由于外界机械冲击的作用，导致开关出现意外的闭合接触动作，严重影响了产品使用 的稳定性和可靠性。
【发明内容】
[0004] 基于此，有必要针对上述问题，提供一种可提高静电换能器稳定性和可靠性的静 电换能器可靠性试验方法和系统。
[0005] -种静电换能器可靠性试验方法，包括W下步骤：
[0006] 对静电换能器的输入电极和偏置电极施加偏置电压，并经预设的分压电阻对所述 静电换能器的输入电极和输出电极施加直流电压，所述偏置电压小于所述静电换能器的下 拉电压；
[0007] 根据预设的冲击量级对所述静电换能器施加冲击载荷，进行机械冲击；
[000引在机械冲击过程中监测所述分压电阻两端的电压；
[0009] 调节所述偏置电压的幅值，并在所述分压电阻两端的电压大于预设电压阔值时， 测量得到当前冲击量级下所述静电换能器产生误触发的最小偏置电压并输出。
[0010] -种静电换能器可靠性试验系统，包括：
[0011] 电压施加模块，用于对静电换能器的输入电极和偏置电极施加偏置电压，并经预 设的分压电阻对所述静电换能器的输入电极和输出电极施加直流电压，所述偏置电压小于 所述静电换能器的下拉电压；
[0012] 机械冲击模块，用于根据预设的冲击量级对所述静电换能器施加冲击载荷，进行 机械冲击；
[0013] 电压监测模块，用于在机械冲击过程中监测所述分压电阻两端的电压；
[0014] 偏置计算模块，用于调节所述偏置电压的幅值，并在所述分压电阻两端的电压大 于预设电压阔值时，测量得到当前冲击量级下所述静电换能器产生误触发的最小偏置电压 并输出。
[0015] 上述静电换能器可靠性试验方法和系统，对静电换能器的输入电极和偏置电极施 加偏置电压，并经预设的分压电阻对静电换能器的输入电极和输出电极施加直流电压;根 据预设的冲击量级对静电换能器施加冲击载荷，进行机械冲击。在机械冲击过程中监测分 压电阻两端的电压;调节偏置电压的幅值，并在分压电阻两端的电压大于预设电压阔值时， 测量得到当前冲击量级下静电换能器产生误触发的最小偏置电压并输出。实现在一定的机 械冲击条件下，获得会导致可动平板下拉而产生误触发的最小偏置电压，支撑静电换能器 的抗冲击设计W及对机械冲击和静电力禪合所引起的误接触动作的预测和预防等，提高了 静电换能器的稳定性和可靠性。
【附图说明】
[0016] 图1为一实施例中静电换能器可靠性试验方法的流程图；
[0017] 图2为机械冲击和静电力禪合作用下输入电极和输出发生接触的事件监测的原理 结构图；
[0018] 图3为另一实施例中静电换能器可靠性试验方法的流程图；
[0019] 图4为一实施例中保持电压和下拉电压的测试原理图；
[0020] 图5为一实施例中静电换能器可靠性试验系统的结构图；
[0021] 图6为另一实施例中静电换能器可靠性试验系统的结构图。
【具体实施方式】
[0022] -种静电换能器可靠性试验方法，适用于机械冲击与静电力禪合对静电换能器可 靠性影响的分析。由于静电力本身的大小是位移的函数，当施加在平行板电容器结构的两 个平行板上的电压增加时，静电力随着电荷的增加而增大。同时，力的增大使间隙高度减 小，而间隙高度的减小又依次使电容、电荷和电场增大。在静电力作用下，当可动平板运动 到两平板间隙的Ξ分之二处时，随着两平板间电压的增加，静电力的增加远远大于回复力 的增加，其结果是可动平板产生下塌从而与固定平板接触。
[0023] 定义使可动平板运动到两平板间隙的Ξ分之二处的电压为下拉电压Vpi，则由W上 分析可W看出，当两平板之间的偏置电压为V〉Vpi时，可动平板产生下塌而与固定平板接触， 当两平板之间的偏置电压为V<Vpi时，则两平板不会发生接触。基于该特性，可W构建多种静 电MEMS器件，如RF MEMS开关，W两平板之间的偏置电压作为控制信号：当V〉Vpi时，开关电极 接触，实现开关"开"的功能，当V<Vpi时，开关电极保持开路，实现"关"的功能。
[0024] RF MEMS开关为Ξ端结构，包括输入电极(对应于可动平板）、输出电极和偏置电极 (对应于固定平板），根据RF MEMS开关的工作原理，在输入电极和偏置电极之间施加一直流 偏置电压V〉Vpi的话，则输入电极就会被下拉到与输出电极接触，形成射频信号的传输路径， 当输入电极和偏置电极之间的偏置电压V小于保持电压VpD(V<Vp。)的话，则输入电极断开与 输出电极的接触，形成开路。
[002引对于RF MEMS开关，当一个射频电压V施加在两个平行金属板之间，平行板的重叠 区域为A，间距为g，可定义射频电压V:
[00%] V(t) =Vocos(化 ft)
[0027]其中Vo是振幅，f为频率和t是时间。该电压产生一个静电力Frf。不考虑电容失配， 即没有反射，则该静电力为：
[002引
[0029] 其中ε〇是自由空间的介电常数。该力的低频部分对应于板之间所承受的力，该力 等效的直流电压等于：
[0030]
[0031] 因此，施加在平板之间的射频电压，都有一个等效电压Veq使平行板之间产生静电 力，在冲击环境中，冲击与等效的直流电压的禪合可能会导致可动平板下拉而产生误动作， 即使等效的直流电压低于该开关正常条件下的下拉电压Vpi。
[0032] 为便于理解，全文均WRF MEMS开关为例对静电换能器可靠性试验方法进行解释 说明，如图1所示，上述方法包括W下步骤：
[0033] 步骤S140:对静电换能器的输入电极和偏置电极施加偏置电压，并经预设的分压 电阻对静电换能器的输入电极和输出电极施加直流电压。
[0034] 偏置电压小于静电换能器的下拉电压。具体可先通过合适的夹具将RF MEMS开关 固定在冲击台上，W便后续进行机械冲击测试。将RF MEMS开关按图2所示电路图进行连接， 直流电源2通过其两端2a和化分别与RF MEMS开关1的输入电极la和偏置电极Ic连接从而向 其施加偏置电压Vb，输出电极化与分压电阻4的一端连接，同时，分压电阻4的另一端连接到 电源3的正端，电源3的另一端与输入电极la和直流电源2的负极2a相连接。电压监测仪表5 连接在分压电阻4的两端，电压监测仪表5具体可采用示波器。
[0035] 可预先测得RF MEMS开关的下拉电压Vpi，保持RF MEMS开关处于通电状态，并对输 入电极la和偏置电极Ic施加偏置电压化，其中^<Vpi，设置并使电源3处于输出状态。
[0036] 步骤S150:根据预设的冲击量级对静电换能器施加冲击载荷，进行机械冲击。预设 的冲击量级的具体取值可根据实际情况选取。在冲击环境中，机械冲击脉冲会使可动平板 产生位移，对于一定量级的机械冲击，在RF MEMS开关不上电的条件下，可能不会导致输入 电极la与输出电极化的碰撞接触，但是当RF MEMS开关的输入电极la上存在射频信号时，等 效于一个射频信号等效电压Veq使平行板之间产生静电力，由于机械冲击和静电力的禪合作 用，可能会导致输入电极la被下拉至与输出电极lb接触。
[0037] 如果在冲击瞬间，输入电极la与输出电极化碰撞接触，但冲击结束之后，输入电极 la就与输出电极化分开，那么输入电极la就与输出电极化的接触时间的长度将与机械冲击 的脉冲宽度同个量级，根据GJB548B-2005中方法2002.1对机械冲击的规定，500g峰值加速 度的对应脉冲宽度为1ms，而20000g峰值加速度的脉冲宽度仅为0.2ms，在该时间长度内，如 果通过实时测试输入电极la与输出电极化之间的接触电阻来判断两者之间是否发生接触 将极为困难，因为接触电阻的变化周期太小，测试电阻值的仪表难W运么快速地响应并获 得实时测试数据，特别是，试验中通常需要通过PC工作站进行数据的采集与保存，此时由于 PC工作站与测试电阻值的仪表之间通讯速度的限制，更加难ww毫秒或者纳秒的采样周期 进行接触电阻的采样与保存，从而难W判断冲击过程输入电极la与输出电极化之间是否发 生接触。
[0038] 因此，W