基于拉曼光谱仪的MEMS动态应力测试系统

　　0引言

　　随着微机电系统(MEMS)从研究阶段逐渐步人产业化，MEMS对测试系统特别是对动态测试系统的需求越来越迫切，这是因为MEMS的动态特性决定了MEMS器件的基本性能，而MEMS微结构机械力学参数、MEMS可靠性与器件失效模式、失效机理等关键问题均可通过MEMS动态测试加以反映，因此，MEMS动态测试技术近年来得到了国内外许多MEMS研究机构的高度重视[w0应力分布特性是影响MEMS器件可靠性的关键因素之一，而动态应力的分布又是应力分布的动态特性，因此，为了制作可靠性高、具有实际应用价值的MEMS器件，就必须消除或控制这些应力，而要消除或控制这些应力，就必须研制出具有高精度、非接触式、无损伤的非传统的应力测试系统。

　　研究发现，当微结构中存在应力时，其晶格结构就会发生变化，从而引起晶格振动能发生改变.拉曼光谱可精确测量材料的晶格振动能量，同时，拉曼光谱仪具有高空间分辨率((0. 2um)、高灵敏度、无破坏性等优点，因此可以利用拉曼光谱来定量分析材料的应力。但是，由于许多ME;MS器件的运动频率都比较高，一般为50Hz~500kHz，甚至更高，在这种情况下，如果利用拉曼光谱仪在连续光照下采集高速运动的MEMS器件的动态应力信息，由于CCU的曝光时问需要30ms左右，因此，最终得到的信息是不确切的，这样就不能正确反映MEMS器件运动到某一位置的动态应力。由于拉曼频移不受激光光源频率的影响，为了能够采集到确切的动态应力信息，本文在原有拉曼光谱仪的基础上对其附加了光电调制系统，研制了基于拉曼光谱仪的微结构动态应力测试系统。

　　1动态应力理论分析

　　作为动态器件典型代表的硅微谐振器，当其处于工作状态时，其核心部分支撑梁的根部为应力的集中区，选择此区域中的一点a(位于支撑梁与固支点处)为测试对象，如图1所示。此硅微谐振器的材料为沿(0 0 1)晶向生长的多晶硅，其结构层厚度为3um，长约1300um，宽约300u.m，其

　　中心支撑梁长约400u.m，采用表面硅工艺制作而成，为典型的静电驱动梳齿型谐振器。当给谐振器外加变化的电压时，谐振器梳齿将在水平面内运动，振子部分将随之在水平面内振动，其受力简图如图2所示。

　　理论上，根据式(1)和式(2)可得到剪应变的计算公式:

　　从而可得到剪应力的计算公式:

　　当给硅微谐振器施加静电驱动时，其中间部分的可动梳齿将在水平面内运动，可动梳齿的运动将带动其支撑梁在水平面内受迫振动，其受力情况可以等效为一垂直于支撑梁侧面的力作用在支撑梁的自由端上(图2)，由于受力面的宽度w、受力面的厚度h、泊松比v，受力点F到力F的作用点的距离x均为常量，因此，根据式(4)可得，当驱动信号下按正弦规律变化时，剪应力也应该按照正弦趋势变化。