高温环境下MEMS微构件动态特性测试技术研究

　　0　引　言

　　微机电系统(MEMS)以其低成本、低功耗、微型化、集成化等优势,在电子、汽车、军事、航天等领域的应用逐渐广泛和深入.随着MEMS逐渐产业化,对测试系统特别是对动态测试系统的需求越来越迫切[1], 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]. MEMS的动态特性可以反映材料属性及机械力学参数、MEMS可靠性与器件失效模式、失效机理等,是MEMS设计、制造及产业化中的重要环节.

　　由于微机械部件运动幅度小、振动频率高、需要非接触无损测量等特点,传统的动态测试方法难以满足要求.光学测试具有非接触测量、测试精度高、响应快等优点,在MEMS动态测试中得到广泛应用,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.为了满足航空航天、石油化工、冶金等高温恶劣工况条件下的物理量测试需求,高温MEMS器件的应用越来越广泛,如高温压力传感器[3]等.而MEMS器件在不同的环境(主要是不同的压力和温度)下的性能和响应特性是不同的[4-5].研究MEMS器件在不同温度下的响应和性能变化规律,可以拓宽其应用领域,优化设计,提高可靠性.

　　文献[5]介绍了一种基于压电陶瓷的多载荷加载台,能在150℃以下测试微构件.文献[6]建立了一种高温环境下MEMS微构件动态特性测试系统,利用基于压电陶瓷的测试装置测试了微构件在室温～300℃环境下的谐振频率.压电底座激励是一种常用的激励方法,但是压电陶瓷工作温度较低(最高在80℃左右),在更高温度下应用存在较大难度.本文研究了高温环境下微构件动态测试技术,分析了放电激励原理,建立了高温环境下MEMS微构件动态特性测试系统,在室温～500℃温度范围内测试了微构件的谐振频率.

　　1　测试系统的构成

　　图1所示为建立的高温环境下MEMS微构件动态特性测试系统总体组成框图,主要包括激励装置、计算机监控单元、激光多普勒测振单元、温度控制单元等.

　　图2为测试装置实物照片,其中: 1为LED; 2为光学头; 3为五维微动台; 4为激励装置; 5为电容; 6为电源; 7为直流高压电源; 8为可控硅控制电路; 9为温控器; 10为单相移相触发器; 11为激光干涉仪.

　　高温环境下MEMS动态测试需要解决的主要问题有:高温环境下微构件的激励、微构件温度的控制、振动响应信号的测量和分析,其中激励和信号测量分析是动态测试的关键.激励装置利用尖端放电产生的激波为激励源,实现了高温环境下对微构件的激励.振动信号由激光多普勒测振仪测量,测量数据由计算机进行频谱分析,得到微构件谐振频率.计算机控制单元和温度控制单元组成了微构件温度控制系统,包括工控机、数据采集卡、温度控制软件和温度传感器、温控器等.温控器通过温度传感器检测微构件温度,接收计算机的调温指令,构成闭环控制系统,通过温度控制软件控制微构件温度,并监测激励装置温度.