MEMS器件检测方法与流程

本发明涉及微机电领域，具体涉及一种MEMS器件检测方法。

背景技术：

微机电(MEMS micro-electro-mechanical system)器件具有体积小、寿命长、能耗低、易于集成以及成本低廉等特点，因而在工业、信息、航空航天、国防等领域得到了广泛的应用。

根据检测方法的不同，MEMS器件可以分为压阻式、压电式、电容式、热电偶式、光纤式、电磁式、谐振式等，其中，压阻式、压电式和电容式是目前的主流方向，而电容式MEMS器件因具有测量范围大、灵敏度高、动态响应快、稳定性好等突出优点，得到了最为广泛的应用，成为国内外各大公司和科研机构的研究重点。

电容式MEMS器件体积小的特点决定了其敏感电容的电容值非常小，一般为pF量级，而由待测物理量引起的电容变化量则更加微小，一般为fF量级甚至更小。如此小的待测量决定了电容检测方法的重要性，其灵敏度和抗干扰能力对于电容式MEMS器件的性能具有决定性的作用。在一个MEMS器件中，内部干扰一般是远大于外部干扰的。通过消灭传感器内部的干扰源，获得更高的性能，远比屏蔽它外部的干扰重要。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种提高MEMS检测参数的准确度的MEMS器件检测方法。

根据本发明的一方面，提供一种MEMS器件检测方法，所述MEMS器件由膜片和背板形成，所述方法包括：向所述MEMS器件的膜片和背板施加以第一频率变化的输入电压；检测所述MEMS器件的输出电压；根据如下公式获取与之对应的静电力；根据所述静电力和输出电压获取 所述MEMS器件的检测参数。

优选地，所述输入电压包括直流项和交流项，其中，所述交流项以第一频率变化。

优选地，所述检测参数为灵敏度、频率响应、声压级。

优选地，所述静电力包括第一分量、第二分量和第三分量，其中，第一分量表征电学信号，第二分量表征电学信号和力学信号，第三分量表征力学信号。

优选地，所述静电力的第三分量以第二频率变化。

优选地，所述输出电压包括第一分量、第二分量和第三分量，其中，第一分量表征电学信号，第二分量表征电学信号和力学信号，第三分量表征力学信号。

优选地，所述输出电压的第三分量以第二频率变化。

优选地，根据所述静电力和输出电压获取所述MEMS器件的检测参数包括：将所述静电力的第一分量和第二分量过滤；将所述输出电压的第一分量和第二分量过滤；根据所述静电力的第三分量和所述输出电压的第三分量获取所述MEMS器件的检测参数。

本发明的MEMS器件检测方法通过施加连续变化的电压模拟真实的MEMS麦克风来测试MEMS特性，提高了MEMS检测参数的准确度，省去了记录大量测试点的繁琐工作，提高了测试效率。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1是一种能实现本发明所述检测方法的基本结构及原理示意图；

图2是根据本发明实施例提供的MEMS器件检测方法的流程图；

图3是图2中步骤S204的流程图。

具体实施方式

以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部 分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。

同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

MEMS麦克风中的MEMS是一种微型的传感器，其原理是利用声音变化产生的压力梯度使电容式微麦克风的声学振膜受声压干扰而产生形变，进而改变声学振膜与硅背极板之间的电容值。该电容值的变化由电容电压转化电路转化为电压值的输出变化，在经过放大电路将MEMS传感器产生得到电压放大输出，从而将声压信号转化成电压信号。

图1是一种能实现本发明所述检测方法的基本结构及原理示意图。如图1所示，所述MEMS器件10由膜片101和背板102形成，所述MEMS器件上通过电源模块20施加输入电压V_in，该输入电压V_in可由恒压源201与交流电压源202提供。通过测试装置30测量MEMS器件的电容变化，进而得到输出电压Vout变化。根据输入的电压变化V_in获取其表征的静电力F，根据输出电压Vout以及静电力F获取麦克风的灵敏度。

图2是根据本发明实施例提供的MEMS器件检测方法的流程图。所述MEMS器件检测方法包括以下步骤。

在步骤S201中，向所述MEMS器件的膜片和背板施加以第一频率 变化的输入电压。

在本实施例中，在MEMS器件的膜片和背板上施加一输入电压V_in，所述输入电压V_in以第一频率变化，表达式如下：

V_in＝V_in1+V_in2＝V+a sinωt (1)

由上式可知，输入电压V_in包括直流项V_in1和交流项V_in2，直流项V_in1为一常量，可由一恒压源201提供，交流项V_in2以2π/ω的频率变化，其最大幅值为a，可由一交流电压源202提供。

在步骤S202中，检测所述MEMS器件的输出电压。

在本实施例中，在MEMS器件的两端可以连接IC芯片来检测所述MEMS器件的输出电压V_out。该输出电压V_out的变化可以表征MEMS器件的电容变化。

在步骤S203中，根据如下公式获取与之对应的静电力。

在本实施例中，可以把MEMS器件本身就是一个电容，因此根据电容的计算公式获得MEMS所受到的力和能量之间的关系

将公式(4)代入公式(3)后，在对公式(3)进行求导，得到静电力F

将输入电压的公式(1)代入公式(5)得到静电力F的公式(2)。

由公式(2)可知，所述静电力F包括第一分量F₁、第二分量F₂和第三分量F₃，其中，第一分量F₁表征电学信号，第二分量F₂表征电学信号和力学信号，第三分量F₃表征力学信号。其中，第一分量F₁可以看做单独的一个直流项，很容易引入干扰，第二分量F₂可以看做包含直流项和交流项两项的电压，因为电容无法隔绝交流项，所以如果MEMS采集第二分量F₂的电压的话，会是一个直流项和交流项在一块的电压，无 法将它们分开分析。第三分量F₃可以看做一个单独的交流项，其以π/ω的频率变化，没有直流项的问题，而且也容易分析，所以很容易反应出这一项的力最终体现在电压上的变化是多少。

按照上面的公式可以知道，当输入电压Vin变化时，会引起静电力F的变化，进而引起MEMS膜片与背板间距离d的变化。这里需要说明一下，因为MEMS膜片与背板间距离d的变化速度远远大于输入电压Vin的变化速度，所以可以认为在在输入电压Vin变化的每一个时间点上，MEMS膜片与背板间距离d已经达到了一个平衡的地方，此时是一个定值。因此，此时的电容C也就有了一个ΔC的变化。又因为根据电容的公式Q＝CU，因此我们可以知道在保持Q不便的前提下，膜片上的电压也有了一个变化ΔU。

在步骤S204中，根据所述静电力和输出电压获取所述MEMS器件的检测参数。

在本实施例中，输出电压V_out与静电力F对应的输出三个分量，即第一分量V_out1、第二分量V_out2和第三分量V_out3，第一分量V_out1表征电学信号，第二分量V_out2表征电学信号和力学信号，第三分量V_out3表征力学信号。

由于静电力F与输出电压V_out的第一分量和第二分量不能表征力学信号，模拟真实的MEMS麦克风，需将其过滤，只保留各自的第三分量F₃和V_out3。所以步骤S304具体包括以下步骤，如图3所示。

在步骤S2041中，将所述静电力的第一分量和第二分量过滤。

在步骤S2042中，将所述输出电压的第一分量和第二分量过滤。

在步骤S2043中，根据所述静电力的第三分量和所述输出电压的第三分量获取所述MEMS器件的检测参数。

在本实施例中，所述检测参数为灵敏度、频率响应、声压级。

MEMS麦克风灵敏度为模拟输出电压或数字输出值与输入压力之比；声压级为我们能够听到的最微弱的声音，称之为可闻阈，其声压级为0dbSPL。最大声压级为当声压级加大直到声音开始失真的情况。频率响应为MEMS麦克风对从低到高各种不同频率声音的响应能力。

当我们改变输入电压的交流项V_in2的频率2π/ω时，可以得到 MEMS器件的频率响应，当改变输入电压的交流项V_in2的幅值a时，可以得到MEMS的声压级。

本发明的MEMS器件检测方法通过施加连续变化的电压模拟真实的MEMS麦克风来测试MEMS特性，提高了MEMS检测参数的准确度，省去了记录大量测试点的繁琐工作，提高了测试效率。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。