精密测量自激励多悬臂梁MEMS微器件的振动

使用超高分辨率显微式激光测振仪MSA-600获取受分子布朗运动激励的多悬臂梁MEMS微器件的振动特性。这种新颖的测试方法还可用于如原子力显微镜（AFM）的微小针尖的振动测量。

MEMS器件，如微型传感器或执行器，如今已成为消费电子、汽车、飞机、医疗设备和仪器的基本元器件。MEMS器件在环境激励下的测试数据对于开发功能性样品以及成熟产品的标定和质量管控至关重要。

开发过程分阶段进行：第一阶段，计算数字模型来优化MEMS性能，最小化寄生或偏置效应。第二阶段，通过样品实测来验证这些优化指标，并获取MEMS器件的总体技术参数。在本文中，我们使用德国Polytec公司的MSA显微式激光测振仪来对MEMS多悬臂结构进行测试（图1），得出该结构的机械振动特性及表面形貌特征。

图1：被测MEMS器件为悬臂梁结构，对其四个悬臂梁进行测量，即左下方区域。

悬臂梁宽65μm，长795 ~ 825μm。

MSA显微式激光测振仪集多种测量功能于一体：基于激光多普勒原理的面外振动测量，基于频闪法的面内振动分析，基于白光干涉原理的表面形貌测量（图2）。

图2：使用MSA系统的基于白光干涉原理的形貌测量模块，测量出悬臂结构的表面缺陷

环境激励的振动测量

振动测试分两个阶段进行：首先，使用主动激励的方式，激励信号由粘在MEMS器件底座上的压电陶瓷片来提供；第二，仅由环境作为激励，也称为被动激励。

主动激励的信号由系统内置信号发生器产生并传输至压电陶瓷片，同时该信号可用作相位参考；对于环境激励，使用耦合在光路中的额外的光纤式光学头来收集悬臂梁反射光作为相位参考。

测试结果

采用主动激励方式的悬臂梁的工作变形（ODS）和所有测点平均频谱图如图3所示。为对比这两种激励方式下的悬臂梁的振幅和振型，任意选取主动激励频谱图中一个最为明显的共振峰。由于有相位参考，所有测点的相对相位已知，从而得出振型动画。观察振型动画可选出振幅最大的点，并显示其频谱。

图3：所有测点的平均频谱图

随后，选中采用环境激励方式得到的频谱中的相同频率。与主动激励方式一样，选择振幅最大的点，并显示其频谱。四个独立悬臂梁的每一个悬臂梁均挑出一个频率，显示该频率下主动激励和环境激励下的ODS，并进行比较。本次用于对比分析的频率点是第二阶弯曲模态对应的频率。

图4显示的是自激励悬臂梁在130.9 kHz时振型。被动激励是由环境中固有的布朗运动形成的。

图4：被动激励下，单个悬臂梁在130.9kHz时的工作变形

表1显示了主动激励和环境激励下测试结果的比较。由于是采用环境激励，其共振峰值要比主动激励大约低三个数量级。尽管如此，其信号质量仍然足够有效地确定振幅和振型(没有主动激励)。

表1：主动激励和被动激励的数据对比

前景和展望

在现场环境(室内)条件下，利用环境激励对MEMS悬臂梁结构进行非接触式光学振动测量。试验表明，即便通过环境布朗运动进行激励，MSA显微式激光测振仪也能精确测量出微悬臂梁结构中微弱的振动特性。测量结果令工程师们振奋，因为一些其它应用领域的难题可能会迎刃而解，如原子力显微镜（AFM）的微小针尖的振动测量。

无需处理或接触原子力显微镜（AFM）悬臂梁，即可通过激光多普勒测振法对其进行标定。这种方法可准确地测量出弯曲和扭转弹簧常数。与传统的AFM弹簧常数测量方法（通常需要在仪器内部完成）相比，这种非接触式测量方法规避了损坏针尖的风险。

激光多普勒测振仪所具有的高灵敏度、高准确性和非接触式测量方式等优点，使其成为精密、轻质微型结构在实验室或生产中进行振动分析的首选工具。