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在振動(dòng)等機(jī)械應(yīng)力環(huán)境下，電子元器件和電子設(shè)備是否能可靠工作是電子產(chǎn)品制造商和用戶非常關(guān)心的問題，尤其對(duì)汽車、飛機(jī)以及其他可能會(huì)在振動(dòng)環(huán)境下工作的電子設(shè)備來說更是特別重要。而元器件和設(shè)備是否能耐受振動(dòng)及其他機(jī)械應(yīng)力，既和振動(dòng)等機(jī)械環(huán)境應(yīng)力的強(qiáng)弱有關(guān)，也與其自身的振動(dòng)響應(yīng)特性和抗機(jī)械應(yīng)力的能力有關(guān)。因此，要解決元器件和設(shè)備的抗振及其他機(jī)械應(yīng)力的可靠性問題，首先要能檢測(cè)和評(píng)價(jià)其機(jī)械應(yīng)力響應(yīng)特性和抗振能力。

以工信部電子五所為依托單位的“電子元器件可靠性物理及其應(yīng)用技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”，是開展電子元器件可靠性研究和技術(shù)研發(fā)的專業(yè)實(shí)驗(yàn)室。在電子元器件以及電子設(shè)備的抗振可靠性方面開展了諸多科研和技術(shù)服務(wù)工作，同時(shí)也建立了完善的測(cè)試與評(píng)估能力。從今天開始，小編就將分三次為大家做個(gè)介紹，希望能對(duì)大家有所幫助。

 

系列之一：可動(dòng)微結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性測(cè)試平臺(tái)及其在MEMS領(lǐng)域中的應(yīng)用

 

如今，MEMS技術(shù)已廣泛應(yīng)用在航空、航天、國(guó)防及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。MEMS器件，如微型傳感器或執(zhí)行器，已成為消費(fèi)電子、汽車、飛機(jī)、醫(yī)療設(shè)備和儀器的基本元器件。MEMS器件在環(huán)境激勵(lì)下的振動(dòng)特性測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)于新型產(chǎn)品的研制以及成熟產(chǎn)品的標(biāo)定和質(zhì)量管控至關(guān)重要。動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)分析及可視化對(duì)MEMS器件等微型結(jié)構(gòu)的測(cè)試和研發(fā)非常關(guān)鍵，這對(duì)于驗(yàn)證有限元算法、確定串?dāng)_效應(yīng)和測(cè)量表面形變是必不可少的。

 

但由于MEMS內(nèi)部可動(dòng)結(jié)構(gòu)尺寸在微米量級(jí)，非常小，常規(guī)的振動(dòng)測(cè)試手段根本無法得到其振動(dòng)特性。而實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)期開展電子元器件振動(dòng)可靠性及特性測(cè)試分析工作，建立了國(guó)內(nèi)唯一的帶真空高低溫環(huán)境的可動(dòng)微結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性測(cè)試平臺(tái)。該平臺(tái)集真空/高低溫環(huán)境模擬、顯微振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)和雙探針臺(tái)于一體（圖1），可實(shí)現(xiàn)MEMS微結(jié)構(gòu)在復(fù)雜環(huán)境下的面外振動(dòng)、面內(nèi)振動(dòng)以及表面形貌測(cè)量，提供精確的三維動(dòng)態(tài)和靜態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)，為MEMS產(chǎn)品研制單位在降低開發(fā)和制造成本的同時(shí)提高產(chǎn)品性能，從而縮短設(shè)計(jì)周期，簡(jiǎn)化故障處理，提高產(chǎn)品產(chǎn)量。

 

 

圖1帶真空高低溫環(huán)境的可動(dòng)微結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性測(cè)試平臺(tái) 

 

（一）基本原理

 

作為可動(dòng)微結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性測(cè)試平臺(tái)的核心部件，顯微測(cè)振系統(tǒng)是基于激光測(cè)振原理，利用激光多普勒技術(shù)，非接觸式地測(cè)量樣品表面振動(dòng)速度。儀器發(fā)出一束波長(zhǎng)的激光，照到振動(dòng)物體表面，反射回來的激光頻率發(fā)生變化（即多普勒頻移），該頻移量與物體的運(yùn)動(dòng)速度v成正比，，測(cè)出多普勒頻移。該調(diào)頻信號(hào)經(jīng)過信號(hào)解調(diào)，可以得到振動(dòng)速度隨時(shí)間的波形。目前的激光測(cè)振儀可以采用直接或間接的辦法得到物理測(cè)試表面的振動(dòng)速度信號(hào)，通過積分或微分可以得到相應(yīng)的位移或加速度振動(dòng)信號(hào)。顯微激光測(cè)振系統(tǒng)是專門針對(duì)含有微小可動(dòng)結(jié)構(gòu)的器件（如MEMS器件）開發(fā)的，其通過集成顯微鏡及激光測(cè)振系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)微小可動(dòng)結(jié)構(gòu)的測(cè)試，設(shè)備和原理圖如圖2所示。

 

 

 

（a）顯微激光測(cè)振系統(tǒng)                                       （b）激光測(cè)振原理示意圖  

圖2顯微激光測(cè)振系統(tǒng)及測(cè)試原理

 

（二）技術(shù)參數(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域

 

1.技術(shù)參數(shù)

 

帶真空高低溫環(huán)境的可動(dòng)微結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性測(cè)試平臺(tái)
功能模塊	技術(shù)參數(shù)	指標(biāo)
環(huán)境	真空	0.01Pa~105Pa
	高溫	+200℃
	低溫	-196℃
面外振動(dòng)測(cè)量	測(cè)量原理	激光多普勒原理
	最大頻率	2.5MHz
	最大振動(dòng)速度	0.001m/s~10m/s
	速度分辨率	0.005(μm/s)/Hz~1(μm/s)/Hz
	位移分辨率	50fm/Hz
面內(nèi)振動(dòng)測(cè)量	測(cè)量原理	頻閃法
	帶寬	1Hz~2.5MHz
	最大速度	> 0.1m/s…10m/s（與鏡頭放大倍數(shù)有關(guān)）
	鏡頭放大倍數(shù)	1×…100×
	時(shí)間分辨率	100 ns (頻閃曝光時(shí)間)；頻閃最大間隔時(shí)間±40ns
	系統(tǒng)輸出	位移量、波特圖、階躍響應(yīng)、衰減曲線、軌跡圖等
形貌測(cè)量	垂直測(cè)量范圍	250µm
	分辨率(RMS)	光滑表面評(píng)估程序45pm；粗糙表面評(píng)估程序1.2nm
	可重復(fù)精度	光滑表面評(píng)估程序500pm；粗糙表面評(píng)估程序20nm

 

2.功能特點(diǎn)

 

·微型結(jié)構(gòu)的面外振動(dòng)測(cè)試：梳齒驅(qū)動(dòng)器、射頻MEMS開關(guān)、FEM有限元模型驗(yàn)證、CMUT、PMUT超聲 換能器、MEMS薄膜壓力傳感器、PZT壓電懸臂梁等

 

·微型結(jié)構(gòu)的面內(nèi)振動(dòng)測(cè)試：梳齒驅(qū)動(dòng)器、MEMS扭轉(zhuǎn)激振器、壓電陶瓷制動(dòng)器的橫向運(yùn)動(dòng)

 

·微型結(jié)構(gòu)的表面形貌提?。菏猃X驅(qū)動(dòng)器、微型齒輪、微流量傳感器、懸臂梁等表面形貌

 

3.應(yīng)用領(lǐng)域

 

·微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）動(dòng)態(tài)測(cè)試，如微型陀螺儀振動(dòng)測(cè)量

 

·元器件內(nèi)微結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)測(cè)試，如鍵合絲、弦線等振動(dòng)特性測(cè)量

 

·生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)、動(dòng)物學(xué)研究，如昆蟲等生物的活體的振動(dòng)特性測(cè)量……

 

（三）應(yīng)用示例：精密測(cè)量MEMS梳齒微結(jié)構(gòu)平面內(nèi)的振動(dòng)特性

 

我們基于建立的帶真空高低溫環(huán)境的可動(dòng)微結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性測(cè)試平臺(tái)對(duì)MEMS梳齒微結(jié)構(gòu)的面內(nèi)振動(dòng)特性進(jìn)行了測(cè)量，包括振幅、振型、頻率等振動(dòng)參數(shù)。被測(cè)的MEMS結(jié)構(gòu)如圖3所示，對(duì)樣品局部進(jìn)行顯微激光測(cè)振，如圖4所示。

 

 

圖3MEMS梳齒微結(jié)構(gòu)

 

 

圖4 被測(cè)的MEMS器件微結(jié)構(gòu)（圖中網(wǎng)格狀為模態(tài)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置）

 

振動(dòng)測(cè)試方法采用主動(dòng)激勵(lì)的方式，激勵(lì)信號(hào)由粘在MEMS芯片底座上的壓電陶瓷片來提供。主動(dòng)激勵(lì)的信號(hào)由系統(tǒng)內(nèi)置信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生并傳輸至壓電陶瓷片，同時(shí)該信號(hào)可用作相位參考。

 

采用主動(dòng)激勵(lì)方式的所有測(cè)點(diǎn)平均頻譜圖如圖5所示。選取主動(dòng)激勵(lì)頻譜圖中一個(gè)最為明顯的共振峰。由于有相位參考，所有測(cè)點(diǎn)的相對(duì)相位已知，從而得出振型動(dòng)畫。觀察振型動(dòng)畫可選出振幅最大的點(diǎn)，并顯示其頻譜。圖6顯示的是自激勵(lì)可動(dòng)微結(jié)構(gòu)在11.526 kHz和25.702kHz時(shí)振型。

 

 

圖5 所有測(cè)點(diǎn)的平均頻譜圖

 

 

(a) 11.526 kHz

 

 

    (b)25.702kHz

圖6 MEMS可動(dòng)微結(jié)構(gòu)在11.526kHz和25.702kHz時(shí)的振型

 

（四）總結(jié)

 

本實(shí)驗(yàn)室搭建的可動(dòng)微結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性測(cè)試平臺(tái)，測(cè)量速度快，實(shí)時(shí)顯示測(cè)量數(shù)據(jù)，位移分辨率達(dá)亞pm級(jí)。在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境(室內(nèi))條件下，能精確測(cè)量出微弱的振動(dòng)特性。基于頻閃法的面內(nèi)振動(dòng)測(cè)量模塊，能直觀生動(dòng)地顯示結(jié)構(gòu)面內(nèi)振動(dòng)特性?；诎坠飧缮嬖淼男蚊矞y(cè)量模塊，可在幾秒鐘內(nèi)提供數(shù)以百萬計(jì)的結(jié)構(gòu)三維表面數(shù)據(jù)。

 

同時(shí)，配備的真空及高低溫環(huán)境腔，還可以在不同環(huán)境應(yīng)力下對(duì)MEMS以及其他元器件內(nèi)部的輕質(zhì)微型結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)特性測(cè)試和分析。因此，該系統(tǒng)可以成為在實(shí)驗(yàn)室或生產(chǎn)中進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析的首選工具。