MEMS测试的技术

微机电系统（MEMS）的测试匡登峰2001年11月主要内容测试在MEMS中的地位和作用MEMS所用材料的特性测定微摩擦和磨损的检测应变与应力测量微机械运动速度检测MEMS的测试方法的特点测试在MEMS中的地位和作用现在MEMS着重于进行商品化，提高产品的可靠性，降低成本和售价测试可占到MEMS成本的1/3，如果封装之后才发现指标不合格，损失就很巨大MEMS从设计到封装全过程的各个环节都要贯彻测试的要求，概念—设计—生产—封装—终测—市场的过程中，存在着大量的测试项目测试在MEMS中的地位和作用（续）▲在概念和设计中要考虑设计的可靠性▲在设计和生产中要测量掩膜特性、材料特性和批量产品的一致性▲在封装前后要进行机电特性测量、加强性试验和失效分析▲在进入市场后要跟踪产品用户的反馈意见，测量产品的长期可靠性测试为MEMS的计算机辅助设计（CAD）和模拟提供了最直接的实验数据测试在MEMS中的地位和作用（续）MEMS在封装测试之后才能组装在其工作的系统中，实现与宏观环境的连接，从而MEMS的特性才真正发挥出作用。因此，测试技术除了控制整个系统的经济性外，还决定整个系统的坚固性、可靠性和维护性相关的因素。MEMS所用材料的特性测定微型材料力学性质测量膜片弓曲测量超声法和超声显微镜法振动法间接测量动态弹性模量光热辐射法和光声法电子散斑干涉术（ESPI）材料疲劳特性测量微型材料力学性质测量日本机研所中野禅等人开发了微型三点弯曲实验机,成功地测试了跨度400μ，直径数10μ的线材弯曲刚度和弹性模量。美国加州大学Huang等人发展了一种新型的单晶硅微尺度拉伸试验，用来研究尺度对材料力学性质的影响。膜片弓曲测量用抽真空的方法为膜片加载，使其弓曲用压力计读出压力，显微镜测得变形绘出力与变形曲线，从曲线中求出膜片材料的弹性模量E用光测法测出弓底曲率变化，可以推算出内应力本方法设备简单，但误差较大，属于间接测量超声法和超声显微镜法利用物质对超声波响应不同，可以检测材料的内部情况丹羽登通过测定声速衰减，测定了材料密度和材料的粘弹性佐藤等人通过超声法同时测定材料的厚度变化和声速山中一司等人利用超声显微镜扫描方法测量材料的弹性波振动法间接测量动态弹性模量K.E.Peterson用静电加载使悬臂梁产生强迫振动，用光测法检测位移响应信号，然后求出材料的弹性模量张忠等利用动态激光散斑相干法测量振动，获得高温超导材料的小梁的前五阶频率，推算出这种材料的动态弹性模量L.M.Zhang等人也利用类似的振动测试方法，通过测试固有频率，测得材料的弹性模量光热辐射法和光声法南京大学张淑仪等人利用选择不同相位的热波信号的方法，对不透明材料的亚表面结构进行分层成像，纵向分辨力可优于1μH.Nabeta等人测量了几百微米厚压接铜板中1μ-100μ的剥离YNagata等人利用变波长激光，根据积层结构对光吸收的色选择性，从弯曲振动的位相信息中判断积层顺序电子散斑干涉术（ESPI）DevilTRead提出利用电子散斑干涉术（ESPI），可以非常精确地测量出材料的弹性模量材料疲劳特性测量SCBromley等人对161个特殊设计的微多晶硅器件进行了加载失效测量，并计算了相应的名义疲劳。TaekoAndo等人利用片上测试装置方法在准静态单轴张力加载情况下，测试了单晶硅MEMS器件的张力疲劳。微摩擦和磨损的检测直接测量微机械瞬时运动微摩擦测定装置薄膜微摩擦、磨损实验利用隧道效应显微镜研究微摩擦间接测量微摩擦直接测量微机械瞬时运动Tai.Y等人对微电机瞬时运动的直接测量Gabrielk.J对微型硅制空气涡轮机瞬时运动的直接测量Lim.M.G等人对多晶硅结构的直接测量分别推算出了多晶硅与多晶硅、多晶硅与氮化硅之间的动、静摩擦系数微摩擦测定装置U.Beeschvinger等人通过陶瓷梁推动用LIGA工艺加工成的微小结构，在不同材料衬底上运动，得到了不同材料之间的静摩擦和动摩擦系数日本NoquchiK等人利用置于两电极绝缘体之间的微小滑块和底板之间形成摩擦，测量滑块初始电平可得到静摩擦系数，测量滑块通过间隙的瞬态过程，可以求得动摩擦系数薄膜微摩擦、磨损实验利用由转盘、滑块、微压力加载悬臂梁和应变片构成的微摩擦磨损测量装置，可以模拟微摩擦生成条件，转盘上和滑块上可镀润滑膜，接触法向力由微压力加载梁提供，切向摩擦力可用应变片测得。当盘转动一定周数后，可用光学显微镜直接观察磨损情况。利用隧道效应显微镜研究微摩擦Mate等在原子力显微镜基础上研制了微摩擦力显微镜FFM，美Ju-AiRuan综合论述了利用各种类型FFM研究不同材料的微摩擦与磨损杨勇在博士论文中提出了一种新型的“（FFM）局域点摩擦力测量方法”，该方法可以实现局域点和特定位置的摩擦力测量，摩擦力测量值不受其它位置的影响间接测量微摩擦上海交大曹长江等人提出了一种全新的间接测量微摩擦的方法，利用微马达同时作为驱动元件和测试元件，通过分析微马达在施加力前后运动特性的改变，间接地计算出微摩擦力的大小。应变与应力测量位移法测应变和应力屈服法测应力和应变偏转法测应变和应力由梁的固有频率测应力和应变阀值电压法测应力和应变位移法测应变和应力MGAllen等人设计了微型的（长和宽约几十微米）的T型结构和H型结构应变测试装置,在受拉应变时，T型结构横梁弯曲，变形为δT，H结构宽梁与窄梁连接处产生位移δH。因为δT和δH与其应变εT和εH有确定的函数关系，只需测量δT和δH，就可求出被测件的应变和应力。屈服法测应力和应变HGuckel等设计的微型测试装置，将上述框架中独立结构变成细梁，细梁在临界压缩载荷下屈服。利用扫描电镜清楚地观察到梁的屈服现象，从而确定梁的应变。偏转法测应变和应力HGuckel等人将上述装置中两梁的伸长和缩短转换成第三根梁的旋转，其偏转角度可以利用扫描电镜（SEM）测出。偏转角与试件的应变有确定的对应关系，然后就可以推算出拉应力和压应力由梁的固有频率测应力和应变测试装置中梁的固有频率和梁所承受的应变应力状态有对应关系。激励梁，检测出其固有频率，可求出相应的应力和应变。阀值电压法测应力和应变微型梁在压应力下处于不平衡状态，当在梁和与梁有一定间隙的基底之间加上电压后，产生静电力作用，当所加电压增大到一定值时，梁突然失稳，由于屈曲，输出电压突然下降，这时电压称阀值电压。通过测量出阀值电压，就可以推导出内应力和弹性模量。微机械运动速度检测频闪测转速用光纤传感器测转速内装光伏器件测转速运动参数测试仪频闪测转速美国麻省理工学院Stephan等人，用频闪光源照射旋转的微电机，用装在显微镜上的CCD摄象机，拍摄下马达运转情况，并记录下来，然后逐帧分析磁盘上的信息，可测得马达转速。加利福尼亚的YuChongTai等人也用摄象机通过显微镜录象，分析录象信息来确定马达转速。用光纤传感器测转速美国犹他州Jacobsen等人在马达转子轴上加工一个小平面，使它与周围有不同反射率，激光通过光纤照到小平面上，反射光经光纤被光电池接收，转子每转动一周，光电池就接收一个较强的光脉冲，通过测量光电池输出电脉冲数，可测转子转数。内装光伏器件测转速清华大学孙曦庆等人在电机转子下集成光伏器件，一束平行光垂直照射在转子所在平面上，转子旋转时，光伏器件出现受光和被遮盖两种状态，使其输出高低两种电平。这样，转子转动，在输出端就会得到与转子转数相一致的脉冲信号。通过对脉冲信号计数，得到微马达转数，成功实现了内检测。运动参数测试仪长春光机所张二星等研制了MEMS构件的运动参数测试仪。他们利用一套放大光学系统，把被测物成象在光电接收器上，能测量瞬态平面直线运动和曲线运动，可实时测量速度和加速度。MEMS测试方法的特点无损的细微加载技术非接触式多媒体信息的提取显微测试技术微弱信号提取和处理信号检测的集成化趋势