微机电系统测试技术及方法

　　1　引　言

　　MEMS的测试技术和方法已经成为了MEMS设计、仿真、制造及质量控制和评价的关键环节之一。微机电系统(MEMS)的迅速发展对精密检测技术提出了新的要求。由于MEMS具有的结构尺寸小、集成度高等特点,传统的检测技术与方法已不能完全满足需要,研制精度高、简单便捷、成本低的新的检测手段已经成为MEMS发展的迫切需要。

　　在MEMS设计、制造等过程中,主要需要检测的参数包括微机械量、微几何量、微材料特性及电学参数,其中电学参数检测方法相对比较成熟,本文将从微机械量、微几何量、微材料特性三个方面对MEMS检测技术和方法进行讨论。

　　2　微机械量测量

　　对MEMS的机械运动参数如位移、速度、振幅、频率等进行精确测量已经成为MEMS发展的迫切要求[1]。目前采用的微机械量测量方法主要有电测法和光测法。电测法具有简单实用、稳定性好、信号分析处理容易等特点,包括压阻测试法、电容测试法、电感测试法、压电测试法等在内的电测法在微机械量测量中占有重要地位,具体应用例子有:国内研制的一种硅微机械粘滞型谐振真空计,使用了制作在悬臂梁根部的横向压阻器件实现单晶硅制作的悬臂梁的振动信号机电转换[2];在研究微角速度传感器在不同气压下的振动特性时,采用电容检测技术测量微机械角速度传感器的振动信号[3]等。

　　微机械的特征尺度一般为毫米至亚微米远小于宏观机械,微机械的动态特性很容易被测量过程干扰,光电测试方法由于是非接触测量,同时又具有分辨率好、精度高的特点,目前已成为微机械量检测领域的研究热点,一系列应用光电检测方法的MEMS动态参数检测仪器,如激光多普勒测振仪(LDV)、频闪显微干涉系统(SMIS)、计算机微视觉系统(CMVS)、光纤迈克尔逊干涉仪等已投入实际应用。

　　2.1　计算机微视觉与频闪光照明技术在微机械量检测中的应用

　　计算机微视觉技术在微机械量测量领域有着广泛的应用,CCD成像系统结合光学显微系统、计算机图像处理系统可以比较容易的对微位移[4]、微马达转速[5]等运动参数进行检测,而且可以达到较高精度。但是由于视觉成像系统采样频率的限制,单纯的计算机微视觉技术不能实现高速、高频运动参数的检测,如国内研制微型机械运动参数测试仪[5_6],设计了两套测量系统,当微马达转速大于50 r/min时,采用光电三极管测量系统代替视觉测量。

　　将频闪光照明技术与计算机微视觉技术相结合可对MEMS微结构的周期及可周期重复运动进行有效检测。美国麻省理工学院(MIT)研制的计算机微视觉系统(CMVS)采用了频闪光照明,可测量的最高周期运动频率达到100 kHz(表1)。