MEMS微构件动态特性测试的激励技术和方法

　　0　引　言

　　在微机电系统(MEMS)的测试技术中,微构件动态特性的测试对MEMS器件的性能及其设计、仿真、制造等方面均具有重要的意义. MEMS动态测试系统包括振动激励、振动测量和模态分析三个基本环节.通过动态特性测试获得MEMS微构件的谐振频率、阻尼比以及模态等信息,从而了解MEMS器件的动态性能,并为建立和进一步修正MEMS微构件的理论分析模型和失效机理奠定基础,同时结合有限元方法和CAD技术,实现对MEMS微构件结构的优化设计,提高MEMS微构件的设计水平.振动激励是实现动态测试的基本环节.激励装置使待测的微构件产生振动,对微构件施加的激励包括正弦扫频激励、瞬态冲击激励[1-3]等方式.

　　由于MEMS微构件尺寸小、且谐振频率较高,传统的动态测试中的激励技术与方法无法直接应用在MEMS动态测试中.应用于MEMS微构件动态特性测试中的激励技术与方法一般应采用非接触式的激励方式,且要求具有较宽的激励频带.目前,应用于微构件动态测试的激励方法可以归纳为利用外部场能实现对微构件的激励方法、内部集成激励元件和基于底座激励三类.利用外部场能激励微构件的方法是指使微构件产生振动的能量来源于微构件外部的能量场,如电场、磁场、声场等,包括声激励、静电激励和磁激励等方式;内部集成激励元件的激励方法是指使微构件振动的能量来源于微构件自身,根据所集成激励元件的不同,可分为热激励和压电激励等;基于底座激励微构件的方法是指使微构件振动的能量来源于底座,包括压电底座激励、放电底座激励和超声底座激励等方式.

　　本文按上述分类方式,具体介绍各种激励方法的原理及其特点,并对各种方法的优缺点和局限性进行比较.

　　1　利用外部场能的激励方法

　　1.1　声激励

　　1.1.1　声波激励

　　声波是一种发散的波,利用声波直接激励微构件时会存在声强不足以使MEMS微构件振动的问题,因此必须设法使声波聚焦于被测微构件上.图1是Yacine M.Amraoui和Nick A.J.Lieven所介绍的一种声波激励方法.该激励装置由信号发生器、放大器、麦克风和一个不封闭的椭球体组成.这个椭球体的主要作用是将置于其内部椭球体焦点的麦克风发出的声波经其内壁反射聚焦在待测器件上,这样就可以增强声波的强度,并且可以缩小作用在待测器件表面上的面积,从而使得待测器件获得较好的激励效果[4].除了直接由声音发生装置发出声波[5]外, Vollmann等人[6]采用短脉冲激光器作用在材料表面时瞬时热应力产生的体声波,测试了MEMS结构中多层材料的特性.文献[7]给出了磁致体声波的激励方式.