高温环境下微悬臂梁谐振频率温度特性及测试技术研究

　　1　引　　言

　　采用MEMS(Micro-electromechanical systems,微型机械电子系统)技术制作的微器件在使用寿命、成本、体积和重量等方面都显示出巨大的优势,使其在民用领域及军事领域有着越来越广泛的 应用前景[1-2]。近年来,虽然MEMS在制作工艺上已经取得了长足的进步,但是并没有太多的成型产品出现在市场上,所以提高MEMS产品的稳定性和可 靠性,已成为加快其产业化进程的迫切需求[3]。

　　研究MEMS产品的稳定性和可靠性必须考虑到环境因素的影响,这是因为MEMS产品的工作环境通常是比较复杂的,会出现诸如高温环境、低温环 境、真空环境、大加速度环境,高湿度环境等中的一种或几种。国内外的研究机构在这方面已经有了一些研究[4-6],但这些测试基本上是对特定的MEMS产 品的可靠性和稳定性进行研究,而对晶圆级MEMS微结构在特定环境下的测试研究则相对很少,所以很难得出环境参数的改变与MEMS器件性能之间的一般规 律。

　　微悬臂梁是MEMS器件中最常见的可动微结构,作为机电结合的元件,在MEMS中具有不可替代的位置,研究微悬臂梁的动态机械特性,可以优化其 结构设计,对提高MEMS产品的稳定性和可靠性具有非常重要的意义[7]。对于微悬臂梁来说,由于它的结构尺寸很小,并且具有较高的固有频率,所以应用于 传统机械振动测试中的测试方法并不适用,目前国内外在进行MEMS微结构动态特性测试时经常所采用的是压电陶瓷底座激励方法和基于激光多普勒原理的振动检 测方法[8-11]。如果要在非常态环境下对微悬臂梁的动态特性进行测试,那么就必须结合实际的使用环境对激励方法和测试方法做出相应的改进。

　　本文首先对微悬臂梁在高温环境下谐振频率的温度特性进行了理论分析;研制了一套基于压电陶瓷底座激励的高温环境MEMS动态特性测试装置,并在室温至300℃的温度环境下对单晶硅微悬臂梁的谐振频率进行测试,找出了单晶硅微悬臂梁谐振频率随温度的变化规律。

　　2　理论分析

　　对于单层矩形截面微悬臂梁,其一阶固有频率为[12]:

　　式中:E为弹性模量;I为惯性矩;λ为线密度;h为微悬臂梁厚度;L为微悬臂梁长度;b为微悬臂梁宽度;

　　对式(1)引入温度变量,则有:

　　式(2)对温度求偏导,可得:

　　设温度为T0时,微悬臂梁一阶谐振频率为f1(T0),对上式除以f1(T),且当T=T0时有:

　　式(4)就是微悬臂梁谐振频率随温度变化的关系式,可以看出微悬臂梁谐振频率随温度的变化是由于微悬臂梁材料弹性模量的变化和其结构尺寸的变化引起的。