静电驱动阶梯型微固支梁结构检测方法和系统与流程
本发明涉及微机械系统技术领域，特别是涉及一种静电驱动阶梯型微固支梁结构检测方法和系统。
背景技术：
微机电系统(micro-electro-mechanicalsystem，mems)，也叫做微电子机械系统、微系统、微机械等，是在微电子技术(半导体制造技术)基础上发展起来的，融合了光刻、腐蚀、薄膜、liga、硅微加工、非硅微加工和精密机械加工等技术制作的高科技电子机械器件，广泛应用于高新技术产业。根据不同的驱动方式mems器件可分为热驱动型、形状记忆合金驱动型、压电驱动型、电磁驱动型和静电驱动型，其中静电驱动型mems是应用非常广泛地一类mems产品。
驱动电压是静电驱动mems产品性能改进、新产品研发的一个重要技术参数，决定着mems产品的性能、可靠性及应用范围。研究表明：高驱动电压容易让mems器件产生电流击穿，这直接影响到mems器件的稳定性和器件寿命。另外，驱动电压每降低5v，mems产品使用寿命可增加10倍。
阶梯型微固支梁是降低mems产品驱动电压的一种有效结构型式，已经广泛应用于射频微开关、微传感器、微执行器等。mems产品驱动电压与阶梯型微固支梁的结构参数有关，然而阶梯型微固支梁与普通等截面梁相比，阶梯型微固支梁具有更多的结构参数，增加了结构设计的不确定性，使得阶梯型微结构参数与驱动电压的关系也变得更加复杂。
如何确定设计的阶梯型微固支梁结构为最佳结构，目前，尚无针对阶梯型微固支梁结构检测方法。
技术实现要素：
基于此，有必要针对目前没有阶梯型微固支梁结构检测方法的问题，提供一种静电驱动阶梯型微固支梁结构检测方法和系统。
一种静电驱动阶梯型微固支梁结构检测方法，包括以下步骤：
获取阶梯型微固支梁结构参数和阶梯型微固支梁结构检测函数，所述阶梯型微固支梁结构参数包括阶梯型微固支梁静电力作用区宽度、阶梯型微固支梁非静电力作用区宽度、阶梯型微固支梁总长度以及阶梯型微固支梁静电力作用区长度，用于记录阶梯型微固支梁长度比值和阶梯型微固支梁宽度比值之间的对应关系；
根据所述阶梯型微固支梁静电力作用区宽度、所述阶梯型微固支梁非静电力作用区宽度、所述阶梯型微固支梁结构检测函数和所述阶梯型微固支梁总长度，确定阶梯型微固支梁静电力作用区长度最优值；
在所述阶梯型微固支梁静电力作用区长度与所述阶梯型微固支梁静电力作用区长度最优值相同时，判定所述阶梯型微固支梁结构达到最佳。
一种静电驱动阶梯型微固支梁结构检测系统，包括：
信息获取模块，用于获取阶梯型微固支梁结构参数和阶梯型微固支梁结构检测函数，所述阶梯型微固支梁结构参数包括阶梯型微固支梁静电力作用区宽度、阶梯型微固支梁非静电力作用区宽度、阶梯型微固支梁总长度以及阶梯型微固支梁静电力作用区长度，用于记录阶梯型微固支梁长度比值和阶梯型微固支梁宽度比值之间的对应关系；
长度最优值确定模块，用于根据所述阶梯型微固支梁静电力作用区宽度、所述阶梯型微固支梁非静电力作用区宽度、所述阶梯型微固支梁结构检测函数和所述阶梯型微固支梁总长度，确定阶梯型微固支梁静电力作用区长度最优值；
结构判定模块，用于在所述阶梯型微固支梁静电力作用区长度与所述阶梯型微固支梁静电力作用区长度最优值相同时，判定所述阶梯型微固支梁结构达到最佳。
一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：
获取阶梯型微固支梁结构参数和阶梯型微固支梁结构检测函数，所述阶梯型微固支梁结构参数包括阶梯型微固支梁静电力作用区宽度、阶梯型微固支梁非静电力作用区宽度、阶梯型微固支梁总长度以及阶梯型微固支梁静电力作用区长度，所述阶梯型微固支梁结构检测函数用于记录阶梯型微固支梁长度比值和阶梯型微固支梁宽度比值之间的对应关系；
根据所述阶梯型微固支梁静电力作用区宽度、所述阶梯型微固支梁非静电力作用区宽度、所述阶梯型微固支梁结构检测函数和所述阶梯型微固支梁总长度，确定阶梯型微固支梁静电力作用区长度最优值；
在所述阶梯型微固支梁静电力作用区长度与所述阶梯型微固支梁静电力作用区长度最优值相同时，判定所述阶梯型微固支梁结构达到最佳。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现以下步骤：
获取阶梯型微固支梁结构参数和阶梯型微固支梁结构检测函数，所述阶梯型微固支梁结构参数包括阶梯型微固支梁静电力作用区宽度、阶梯型微固支梁非静电力作用区宽度、阶梯型微固支梁总长度以及阶梯型微固支梁静电力作用区长度，所述阶梯型微固支梁结构检测函数用于记录阶梯型微固支梁长度比值和阶梯型微固支梁宽度比值之间的对应关系；
根据所述阶梯型微固支梁静电力作用区宽度、所述阶梯型微固支梁非静电力作用区宽度、所述阶梯型微固支梁结构检测函数和所述阶梯型微固支梁总长度，确定阶梯型微固支梁静电力作用区长度最优值；
在所述阶梯型微固支梁静电力作用区长度与所述阶梯型微固支梁静电力作用区长度最优值相同时，判定所述阶梯型微固支梁结构达到最佳。
本发明中利用阶梯型微固支梁结构检测函数和阶梯型微固支梁结构参数，计算得到阶梯型微固支梁静电力作用区长度最优值，其中阶梯型微固支梁结构检测函数可以反映阶梯型微固支梁结构参数之间的对应关系。当阶梯型微固支梁静电力作用区长度等于最优值，阶梯型微固支梁结构达到最优。本发明的静电驱动阶梯型微固支梁结构检测方法和系统，采用简单算法模型、数据处理过程简单、计算量小，便于完成对静电驱动阶梯型微固支梁结构的检测。
附图说明
图1为本发明的静电驱动阶梯型微固支梁结构检测方法在其中一个实施例中的流程示意图；
图2为本发明的静电驱动阶梯型微固支梁结构检测方法在其中一个实施例中的流程示意图；
图3为本发明的静电驱动阶梯型微固支梁结构检测方法在其中一个实施例中的流程示意图；
图4为本发明的静电驱动阶梯型微固支梁结构检测系统在其中一个实施例中的结构示意图；
图5为本发明的静电驱动阶梯型微固支梁结构的结构示意图；
图6为本发明的阶梯型微固支梁结构检测函数结果图；
图7为本发明的计算机设备在一个实施例中的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合较佳实施例及附图对本发明的内容作进一步详细描述。显然，下文所描述的实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。应当说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。
图1为本发明的静电驱动阶梯型微固支梁结构检测方法在一个实施例中的流程示意图，如图1所示，本发明实施例中的静电驱动阶梯型微固支梁结构检测方法，包括以下步骤：
步骤s110，获取阶梯型微固支梁结构参数和阶梯型微固支梁结构检测函数，所述阶梯型微固支梁结构参数包括阶梯型微固支梁静电力作用区宽度、阶梯型微固支梁非静电力作用区宽度、阶梯型微固支梁总长度以及阶梯型微固支梁静电力作用区长度，阶梯型微固支梁结构检测函数用于记录阶梯型微固支梁长度比值和阶梯型微固支梁宽度比值之间的对应关系。
具体而言，针对现有的阶梯型微固支梁，对其结构进行检测时，首先要获得相应的结构参数。如图5所示，阶梯型微固支梁结构参数主要包括阶梯型微固支梁总长度l、阶梯型微固支梁非静电力作用区的微梁长度l1、阶梯型微固支梁静电力作用区的长度l2、阶梯型微固支梁非静电力作用区宽度b1以及阶梯型微固支梁静电力作用区宽度b2等。
另外，阶梯型微固支梁的结构参数是影响阶梯型微固支梁吸合电压的关键因素，因此，建立关于阶梯型微固支梁结构参数的吸合电压预测模型。然后根据吸合电压达到最小值时对应的吸合电压一阶导数为零，建立阶梯型微固支梁结构参数之间的定量关系式，最终得到阶梯型微固支梁结构检测函数，该函数可以反映阶梯型微固支梁长度比值和阶梯型微固支梁宽度比值之间的对应关系。在获得阶梯型微固支梁结构检测函数之后，利用阶梯型微固支梁结构检测函数和阶梯型微固支梁结构参数值计算阶梯型微固支梁静电力作用区长度最优值。
步骤s120，根据阶梯型微固支梁静电力作用区宽度、阶梯型微固支梁非静电力作用区宽度、阶梯型微固支梁结构检测函数和阶梯型微固支梁总长度，计算阶梯型微固支梁静电力作用区长度最优值。
步骤s130，在阶梯型微固支梁静电力作用区长度与所述阶梯型微固支梁静电力作用区长度最优值相同时，判定阶梯型微固支梁结构达到最佳。
具体地，比较阶梯型微固支梁静电力作用区长度与阶梯型微固支梁静电力作用区长度最优值的大小，若阶梯型微固支梁静电力作用区长度与阶梯型微固支梁静电力作用区长度最优值相同，阶梯型微固支梁的驱动电压值最小，此时阶梯型微固支梁结构最佳。若阶梯型微固支梁静电力作用区长度与阶梯型微固支梁静电力作用区长度最优值不相同，阶梯型微固支梁结构未达到最佳，驱动电压未达到最小化，阶梯型微固支梁结构还能进一步优化。
上述的静电驱动阶梯型微固支梁结构检测方法，利用阶梯型微固支梁结构检测函数和阶梯型微固支梁结构参数，计算得到阶梯型微固支梁静电力作用区长度最优值，其中阶梯型微固支梁结构检测函数可以反映阶梯型微固支梁结构参数之间的对应关系。当阶梯型微固支梁静电力作用区长度等于最优值，阶梯型微固支梁结构达到最优。本发明的静电驱动阶梯型微固支梁结构检测方法，采用简单算法模型、数据处理过程简单、计算量小，便于完成对静电驱动阶梯型微固支梁结构的检测。
在其中的一个实施例中，如图2所示，计算阶梯型微固支梁静电力作用区长度最优值的步骤中，还包括：
步骤s121，根据阶梯型微固支梁静电力作用区宽度和阶梯型微固支梁非静电力作用区宽度，计算阶梯型微固支梁宽度比值。
具体地，阶梯型微固支梁宽度比值的表达式为：
步骤s122，将阶梯型微固支梁宽度比值代入阶梯型微固支梁结构检测函数，计算阶梯型微固支梁长度比值。
步骤s123，根据阶梯型微固支梁长度比值和阶梯型微固支梁总长度的乘积，确定阶梯型微固支梁静电力作用区长度最优值。
具体地，阶梯型微固支梁结构检测函数是与阶梯型微固支梁宽度比值相关的函数表达式，因此，首先利用阶梯型微固支梁静电力作用区宽度和阶梯型微固支梁非静电力作用区宽度计算阶梯型微固支梁宽度比值。然后将阶梯型微固支梁宽度比值代入阶梯型微固支梁结构检测函数计算出阶梯型微固支梁长度比值，最后根据阶梯型微固支梁长度比值和阶梯型微固支梁总长度计算阶梯型微固支梁静电力作用区长度最优值，其中阶梯型微固支梁静电力作用区长度最优值可以为阶梯型微固支梁长度比值和阶梯型微固支梁总长度的乘积，也可以通过阶梯型微固支梁长度比值和阶梯型微固支梁总长度的乘积再通过校正系数计算得到阶梯型微固支梁静电力作用区长度最优值。
在其中的一个实施例中，如图3所示，在获取阶梯型微固支梁结构参数和阶梯型微固支梁结构检测函数之前，还包括：
步骤s140，根据欧拉-伯努利梁理论，建立关于阶梯型微固支梁结构参数的吸合电压预测模型；
步骤s150，计算吸合电压预测模型的一阶导数，在吸合电压预测模型的一阶导数为0时，建立阶梯型微固支梁长度比值与阶梯型微固支梁结构的宽度比值的定量关系，得到阶梯型微固支梁结构检测函数。
具体地，本发明的静电驱动阶梯型微固支梁结构检测方法的技术原理是基于欧拉-伯努利梁理论，建立关于阶梯型微固支梁结构参数的吸合电压预测函数。根据吸合电压达到最小值时对应的吸合电压一阶导数为零，建立阶梯型微固支梁结构参数之间的定量关系式，最终得到阶梯型微固支梁结构检测方法。
在本实施例中，基于上述的技术原理，首先根据欧拉-伯努利梁理论，建立关于阶梯型微固支梁结构参数的吸合电压预测模型。然后吸合电压达到最小值对应的吸合电压一阶导数为零这一原理，对吸合电压预测模型进行一阶求导运算，得到吸合电压预测模型的一阶导数，并令吸合电压预测模型的一阶导数为0，建立阶梯型微固支梁长度比值与阶梯型微固支梁结构的宽度比值的定量关系，即获得阶梯型微固支梁结构检测函数。
具体过程为：
步骤1：建立阶梯型微固支梁结构参数的吸合电压预测模型，其阶梯型微固支梁结构参数的吸合电压预测模型的表达式为：
vp为阶梯型微固支梁的驱动电压，ε0为真空介电常数，εr为介质的相对介电常数，e为材料弹性模量，h为阶梯型微固支梁厚度，l为阶梯型微固支梁总长度，g为剪切模量g0为阶梯型微固支梁固定端与底部固定电极之间的初始间隙，η为试函数系数，η由以下表达式确定：
其中，
其中，m为常数，α为阶梯型微固支梁长度比值、β为阶梯型微固支梁宽度比值，
步骤2：令驱动电压一阶导数为零，即
其中，
步骤3：根据公式
在一个具体的实施例中，所述阶梯型微固支梁结构检测函数的表达式为：α(β)＝gβ2-kβ+t，其中α(β)表示阶梯型微固支梁结构检测函数，β表示阶梯型微固支梁宽度比值，g、k、t为常数。
具体而言，阶梯型微固支梁结构的长度比值与阶梯型微固支梁结构的宽度比值之间的关系非常复杂，计算过程复杂且容易出现错误。因此，在本实施例中，阶梯型微固支梁结构检测函数的表达式为近似公式，是根据阶梯型微固支梁长度比值与阶梯型微固支梁结构的宽度比值的定量关系采用2阶多项式拟合而成的，利用该表达式大大简化了阶梯型微固支梁结构检测函数关系式，而且计算过程误差小。
应当理解，所述阶梯型微固支梁结构检测函数表达式并不限于上述的公式，根据本发明的技术启示，本领域技术人员还可以采用3阶多项式或更高阶多项式拟合方式来得到阶梯型微固支梁结构检测函数。
在一个具体的实施例中，所述阶梯型微固支梁结构检测函数的表达式中g为0.36、k为0.4、t为0.85。
具体地，在采用2阶多项式拟合得到的阶梯型微固支梁结构检测函数α(β)＝gβ2-kβ+t，选择g为0.36、k为0.4、t为0.85时，误差较小。另外，在g为0.36、k为0.4、t为0.85时，阶梯型微固支梁宽度比值β的取值为：0.2≤β≤0.9。在阶梯型微固支梁结构的实际设计过程中，阶梯型微固支梁静电力作用区宽度和阶梯型微固支梁非静电力作用区宽度有一定的限制(即宽度不能过宽，也不能过窄)，因此阶梯型微固支梁宽度比值β有一定的取值范围。根据实际设计的阶梯型微固支梁结构，阶梯型微固支梁宽度比值β在0.2～0.9范围时，利用上述结构检测函数计算得到阶梯型微固支梁长度比值误差较小。可选地，在阶梯型微固支梁宽度比值β不在0.2～0.9范围时可采用其他的结构检测函数计算阶梯型微固支梁长度比值，例如采用采用3阶或更高阶多项式拟合得到的阶梯型微固支梁结构检测函数计算计算阶梯型微固支梁长度比值。
在其中的一个实施例中，所述阶梯型微固支梁静电力作用区长度最优值l*的表达式为:l*＝lα(β)，其中α(β)为阶梯型微固支梁结构检测函数，l为阶梯型微固支梁总长度。
具体地，比较阶梯型微固支梁静电力作用区长度l2与阶梯型微固支梁静电力作用区长度最优值l*的大小，若l2＝l*，阶梯型微固支梁的驱动电压值最小，此时阶梯型微固支梁结构最佳，可以判定阶梯型微固支梁结构通过检测。若l2≠l*，阶梯型微固支梁结构未达到最优，驱动电压未达到最小化，阶梯型微固支梁结构还能进一步优化。
为了更进一步详细解释本发明静电驱动取阶梯型微固支梁结构评价方法的技术方案及其带来的效果，下面将采用一具体实例进行分析。
如图5所示，其弹性模量为78.5gpa，泊松比0.22，相对介电常数为1，真空介电常数为8.854×10-12f/m。
步骤一：阶梯型微固支梁总长度l为500μm，厚度h为3μm，与底部固定电极的间隙g0为2μm，非静电力作用区宽度b1为50μm，静电力作用区宽度b2为120μm，静电力作用区长度l2为100μm，驱动电压为20.6v。
步骤二：根据公式
步骤三：根据公式α(β)＝gβ2-kβ+t，g＝0.36、k＝0.4、t＝0.85，计算阶梯型微固支梁结构检测函数α(β)＝0.36×0.41672-0.4×0.4167+0.85＝0.7458。
步骤四：根据阶梯型微固支梁总长度l和公式l*＝lα(β)计算阶梯型微固支梁静电力作用区长度最优值l*＝0.7458×500＝373μm。
步骤五：比较l*和l2值，其中l*＝373μm>l2＝100μm，阶梯型微固支梁结构未达到最佳，驱动电压未达到最小值。
根据上述本发明的静电驱动阶梯型微固支梁结构检测方法，本发明还提供一种静电驱动阶梯型微固支梁结构检测系统，下面结合附图及较佳实施例对本发明的静电驱动阶梯型微固支梁结构检测系统进行详细说明。
图4为本发明的静电驱动阶梯型微固支梁结构检测系统在一个实施例中的结构示意图。如图4所示，该实施例中的静电驱动阶梯型微固支梁结构检测系统，包括：
信息获取模块10，用于获取阶梯型微固支梁结构参数和阶梯型微固支梁结构检测函数，所述阶梯型微固支梁结构参数包括阶梯型微固支梁静电力作用区宽度、阶梯型微固支梁非静电力作用区宽度、阶梯型微固支梁总长度以及阶梯型微固支梁静电力作用区长度，所述阶梯型微固支梁结构检测函数用于记录阶梯型微固支梁结构参数之间的对应关系；
长度最优值确定模块20，用于根据所述阶梯型微固支梁静电力作用区宽度、所述阶梯型微固支梁非静电力作用区宽度、所述阶梯型微固支梁结构检测函数和所述阶梯型微固支梁总长度，计算阶梯型微固支梁静电力作用区长度最优值；
结构判定模块30，用于在所述阶梯型微固支梁静电力作用区长度与所述阶梯型微固支梁静电力作用区长度最优值相同时，判定所述阶梯型微固支梁结构达到最佳。
在其中的一个实施例中，如图4所示，所述长度最优值确定模块20还包括宽度比值计算模块21和长度比值计算模块22：
宽度比值计算模块21，用于根据阶梯型微固支梁静电力作用区宽度和所述阶梯型微固支梁非静电力作用区宽度，计算阶梯型微固支梁宽度比值。
长度比值计算模块22，用于将阶梯型微固支梁宽度比值代入阶梯型微固支梁结构检测函数，计算阶梯型微固支梁长度比值。
长度最优值确定模块20用于根据所述阶梯型微固支梁长度比值和所述阶梯型微固支梁总长度的乘积，确定阶梯型微固支梁静电力作用区长度最优值。
在其中的一个实施例中，如图4所示，还包括：
吸合电压预测模型建立模块40，用于根据欧拉-伯努利梁理论，建立关于阶梯型微固支梁结构参数的吸合电压预测模型；
结构检测函数获得模块50，用于计算吸合电压预测模型的一阶导数，在吸合电压预测模型的一阶导数为0时，建立阶梯型微固支梁长度比值与阶梯型微固支梁结构的宽度比值的定量关系，得到阶梯型微固支梁结构检测函数。
上述静电驱动阶梯型微固支梁结构检测系统可执行本发明实施例所提供的静电驱动阶梯型微固支梁结构检测方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。至于其中各个功能模块所执行的处理方法，例如参数获取模块10、长度最优值确定模块20、结构判定模块30、吸合电压预测模型建立模块40、检测函数获得模块50，可参照上述方法实施例中的描述，此处不再进行赘述。
根据上述本发明的静电驱动阶梯型微固支梁结构检测方法和系统，本发明还提供一种计算机设备，下面结合附图及较佳实施例对本发明的计算机设备进行详细说明。
图7为本发明的计算机设备在一个实施例中的结构示意图。如图7所示，该实施例中的计算机设备700，包括存储器701、处理器702及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其中处理器执行程序时可实现本发明方法实施例中的所有方法步骤。
上述计算机设备700中处理器702可执行本发明实施例所提供的静电驱动阶梯型微固支梁结构检测方法，具备执行方法相应的有益效果。可参照上述方法实施例中的描述，此处不再进行赘述。
根据上述本发明的静电驱动阶梯型微固支梁结构检测方法、系统和计算机设备，本发明还提供一种计算机可读存储介质，下面结合附图及较佳实施例对本发明的计算机可读存储介质进行详细说明。
本发明实施例中的计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时可以实现本发明方法实施例中的所有方法步骤。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-onlymemory，rom)或随机存储记忆体(randomaccessmemory，ram)等。
上述计算机可读存储介质用于存储本发明实施例所提供的静电驱动阶梯型微固支梁结构检测方法的程序(指令)，其中执行该程序可以执行本发明实施例所提供的静电驱动阶梯型微固支梁结构检测方法，具备执行方法相应有益效果。可参照上述方法实施例中的描述，此处不再进行赘述。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
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