低温环境下MEMS动态测试系统
1 引 言
微机电系统(MEMS)是多学科交叉融合的前沿技术。以其低成本、微型化、低功耗的优势,在汽车、电子、家电、机电等行业和航空、航天领域中的应用日渐广泛和深入。
随着 MEMS 从研究阶段逐渐步入产业化, 对测试系统特别是对动态测试系统的需求越来越迫切, 这是因为动态特性反映了器件的基本性能,如微惯性传感器,其通过微结构的微小位移或变形来实现测量功能,其微结构的振型和谐振频率等动态特性在很大程度上决定了器件性能[1]。微结构的机械力学参数、可靠性与 MEMS 器件失效模式、失效机理等关键问题也可通过 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研究机构的高度重视[2-3]。低温环境下测试MEMS 器件的动态特性随温度变化是动态测试的一个重要部分,通过测试不仅可以了解 MEMS 器件抗恶劣工作环境的能力,拓宽 MEMS 器件的应用领域,还可以通过测量 MEMS 器件在不同低温环境中对激励的振动响应, 确定低温对其振动频率等动态特性的影响,从而可改进微器件的结构及微惯性传感器的封装,使其受低温的影响达到最小。
由于 MEMS 尺寸小、质量轻、微机械部件运动的幅度小、需要非接触无损测量等特点,传统的动态测试手段难以满足要求。目前用于 MEMS 动态特性测试的方法主要有 2 种:一种是内置敏感元件测试,通过对设计结构作简单改变,将敏感元件集成在器件内,测试时只需要对外围电路作较小调整就可以完成对器件自身的动态/静态测试[4];另一种 MEMS 动态测试技术是光学测试,光学测试具有非接触测量、测试精度高、响应快的优点,在 MEMS 动态测试中得到广泛的应用,如频闪显微干涉技术、计算机微视觉技术、激光多普勒测振技术等[5]。不同于一般常规动态测试技术,低温环境下 MEMS 动态测试需要解决的问题有:低温环境的产生、低温环境下微器件的激励、振动响应信号的检测等。本文介绍了基于内置敏感元件测试技术和激光多普勒测振技术研制的低温环境下 MEMS 动态特性测试系统,对微器件在低温环境下的动态测试技术进行了研究。
2 系统总体设计
图 1 为设计的低温环境下微器件动态特性测试系统结构框图,该系统包括计算机控制单元、低温环境单元、高速数据采集单元、激光多普勒测振单元及真空泵、水冷机等外围设备。选用半导体冷阱产生低温环境,微器件及其激励装置安装在真空腔体中,真空腔放置在冷阱中整体降温,激励装置选用压电陶瓷作为冲击源,测试系统通过数字 I/O控制压电陶瓷冲击电源输出冲击信号,从而控制微器件的激励。微器件的振动信号可由高速数据采集单元采集,通过计算机进行分析,或直接由激光多普勒测振仪检测分析。
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