微機電系統動態測試技術的發展及應用*

張立平，盧清華（佛山科學技術學院機械與電氣工程學院，廣東佛山5283000）

微機電系統動態測試技術的發展及應用*

張立平，盧清華
（佛山科學技術學院機械與電氣工程學院，廣東佛山5283000）

微機電系統動態測試主要是對微結構的微小位移和變形進行測試研究，其結果直接影響微結構的運動特征和功能，因此在微機電的發展過程中非常重要。隨著MEMS的迅速發展，對測試技術不斷提出新的要求，尤其是MEMS動態測試面臨前所未有的挑戰，為此對國內學者在MEMS動態測試技術方面的研究成果進行了歸納總結，分析了其應用場合和測試范圍，其中非接觸式光學測試方法在MEMS動態測試中備受關注，多種方法相結合的綜合測試技術成為MEMS動態測試技術的主要發展方向。

MEMS；動態測試；光學測試；綜合測試

當今MEMS是微納技術研究的重要方向之一，它是在微電子技術基礎上發展起來的多學科交叉的新興學科。MEMS微結構測試是微機電系統研究的基礎，也是微納技術研究的重要內容，通常MEMS器件的整體尺寸在幾毫米，其關鍵部件的尺寸在亞毫米至亞微米范圍；另一方面，MEMS系統的極微小尺寸及超高頻振動響應等決定了其結構動態特性測試的困難性和復雜性，因此傳統的測試技術和方法已經不能完全滿足其測試要求，于是國內外學者對MEMS系統的動態測試技術和方法展開了大量的研究，并取得了一定成果。本文根據測量原理，對MEMS動態特性測試技術的發展和應用進行了研究。

1　基于模糊合成技術的動態測試

基于模糊合成技術的動態測試又稱為基于時間平均技術的動態測試，最早是由美國空軍研究實驗室的D.J.Burns等最早提出的，實現了MEMS器件面內微運動納米級分辨率的高精密測量。這種測量方法對器件的上限運動頻率沒有限制，測量系統比較簡單，易于實現自動化，但測量精度不太高，在亞微米以上。天津大學陳治副教授將小波變換邊緣檢測技術與模糊圖像增強技術進行結合，提出了MEMS運動幅值的動態測量方法[1-2]等。

2　基于頻閃成像技術的動態測試

頻閃動態成像技術形成后，國內有許多學者對頻閃成像技術展開了大量的研究，提出多種新的動態測試方法，并用于MEMS器件的平面或離面動態測試。

2.1頻閃成像與計算機微視覺相結合的方法

美國麻省理工學院Davis等學者最早開展了基于頻閃微視覺系統的MEMS微結構動態特性測試研究。他們將頻閃光照技術與計算機微視覺技術相結合研制了一種計算機微視覺系統(CMVS)，測量頻率高達100 kHz。該系統可以進行面內和離面運動的測量，精度最高可達2.5 nm。在我國也有很多學者對頻閃成像和計算機微視覺技術進行了研究，瞿榮輝等將計算機微視覺和頻閃成像技術相結合，采用光纖邁克爾遜干涉儀對微機械部件的微小運動位移進行測量，實現了MEMS微位移的無接觸測量[3]。東南大學何小元教授等借助于CCD時間積分成像方法，用顯微鏡對微電子機械系統的轉速進行了測量，測試中系統只能做定軸轉動[4]。

基于頻閃微視覺系統的圖像處理過程需要占用大量的計算機資源，對光源和振動控制的要求特別嚴格，但該測量方法不需要復雜的干涉光路系統及激光光源，同時能夠進行全場測試并方便人機交互，系統的測量頻率高、測量精度高，因此，這種低成本的計算機微視覺方法在微運動領域得到了廣泛的應用。

2.2頻閃成像與光學干涉相結合的方法

隨著頻閃動態成像技術發展，逐漸被用于微結構的測量。早期Hart等人基于頻閃動態成像原理，設計了頻閃干涉系統實現MEMS微運動的測量，該系統可以測量微結構的靜態和動態運動特性。

我國有很多學者致力于頻閃技術的研究，東南大學何小元教授等研制了一套MEMS高頻動態測試系統，該系統將頻閃成像技術和柵線投影方法相結合，用于微結構的動態測試，實現了微器件三維動態變形的測量[5]。天津大學精儀學院的研究者陳澄等利用頻閃成像技術，在Mirau相移顯微干涉技術的基礎上，建立了一套MEMS動態測試系統，該系統能實現微結構離面運動特性的測試，測量分辨率為0.4 nm[6-7]。天津大學的胡曉東教授提出了MEMS器件面內和離面運動的耦合測量方法[8]，還將數字散斑相關技術應用于微結構平面運動的特性測試中[9]。天津大學的陳治副教授結合頻閃成像技術和相移顯微干涉技術，實現了MEMS器件面內和離面運動的一體化測量[10]。田淑英等采用數字散斑相關測量方法能夠實現MEMS工藝線的在線測試和質量檢驗[11]。華中科技大學史鐵林教授課題組[12]和天津大學胡曉東教授課題組[13]各自開發出了具有自主知識產權的頻閃-計算機視覺干涉MEMS三維測量系統，可以測量微結構表面形貌及其運動，是目前國內最先進的MEMS動態測量系統。

總之，基于頻閃成像技術的動態測試方法要么對工作環境要求嚴格，要么對測試資源要求較高，而且只能進行周期性運動MEMS微結構的動態測量，于是針對非周期運動的動態測試方法得到了一定程度的發展。

2.3基于激光多普勒的動態測試技術

激光多普勒動態測試技術是基于波的多普勒效應建立的一種單點振動測量技術，它可以獲得MEMS器件的瞬時動態參數，如瞬時速度和瞬時加速度等，該測量方法具有納米級的測量精度，其技術本身相對比較成熟。該技術配置適當的光學系統，通過改變和設計光路，可用于MEMS器件平面微運動的測量。隨之發展起來的掃描激光多普勒測振儀使該系統能用于整個MEMS結構的振動研究。目前該技術在MEMS器件測量中應用集中在器件動態特性的分析。

國內北京航空航天大學的研究者基于Polytec激光測振儀，建立了一套微振動測試分析系統，該系統以激勵信號作為線性調頻信號，以線性調頻Z變換（CZT）進行頻譜分析，對機械式硅諧振傳感器的頻率特性進行了測試分析，該系統的測量效率和測量精度都比較高[14]。天津大學的傅星教授等人將激光多普勒技術和顯微技術相結合，建立了一套MEMS器件的動態特性測量儀，對微懸壁梁結構的楊氏模量進行了計算分析，并實現了梁結構離面運動特性的測試[15]。天津大學的鐘瑩、張國雄等提出一種MEMS構件微小振動、位移測量系統，采用外差法激光多普技術可以實時地得到被測的速度、位移、加速度、頻率等參量，系統可實現測量分辨力為20 nm[16]。

激光多普勒測試技術的單點測量精度很高，能以納米甚至亞納米級精度實現頻率達兆赫茲以上的離面測量，但該方法依賴于較高的光學拍頻，需要高速的光電探測器，而且必須借助于掃描才能實現全場測量，特別適合MEMS離面振動頻譜的測量。

2.4基于高速攝影成像技術的動態測試

高速攝影成像的動態測試技術的研究起源于德國，該技術將高速攝像機與顯微鏡相結合，實現非周期或非重復性平面微運動的測量，其測量成本較高，實際應用受到限制。目前我國對該技術的研究還未見報道。

上述的四種方法中，頻閃成像與計算機微視覺和干涉技術相結合的方法以及激光多普勒測振技術得到了廣泛的研究和應用，是當前兩種主要的動態測試技術。但它們無法滿足某些特殊領域和特殊測量的需要，于是出現了一些基于其他原理的MEMS動態測試技術，用于平面微運動測量的主要有基于衍射和基于莫爾條紋的測量方法及基于反饋注入干涉和基于X-Ray高速成像的動態測試技術；離面微運動測量中有基于激光偏移和基于時間平均的顯微干涉測量技術等。

3　MEMS微結構綜合測試技術

當前國外一些公司和學者還致力于MEMS綜合測試系統的研發，用于微材料的研究和微結構形狀、面內和離面運動的測量，這將是MEMS測試技術發展的大方向。我國在這方面的研究還處于起始階段。

4　總結

綜上所述，當今眾多學者對MEMS動態測試的速度、空間精度、靈敏度以及全視場低成本高精度的全視場三維動態測試技術進行了大量的研究。總體上來看，MEMS器件的動態測試技術主要是機械工程與材料科學等學科傳統的精密測量技術向微觀領域的擴展，其發展趨勢主要體現在多種測量方法相結合、單點測量與全視場測量結合、靜態測量與動態測量結合、周期運動測量與瞬態運動測量相結合、非接觸非破壞測量、在線測量、大視場大工作距離測量、高速自動化測量和網絡化遠程測量等方面。

［1］陳治，胡曉東，傅星，等.基于分形小波變換的MEMS動態模糊圖像亞像素檢測技術［J］.納米技術與精密工程，2009，7（3）：211-215.

［2］陳治，胡曉東，傅星，等.基于模糊集與小波技術的MEMS平面運動測量［J］.儀器儀表學報，2010，31（6）：1369-1374.

［3］瞿榮輝，丁浩，趙浩，等.微機械部件運動的光學測量［J］.功能材料與器件學報，1998，4（2）：141-146.

［4］姜益軍，董海鳳，何小元.微電子機械系統中轉速測量的光學方法［J］.實驗力學，2004，19（1）：109-112.

［5］何小元，朱飛鵬，徐瑩雋，等.基于頻閃柵線投影的三維微結構高頻動態測試系統［J］.實驗力學，2011，26（5）：592-602.

［6］Hu Xiaodong，Hu Chunguang，Guo Tong，et al.Char?acterizing the Behaviour ofMicro electromechanical Struc?tures by Optical Interferometry［C］.4th International Workshop on Microfactories，2004：492-497.

［7］陳澄.基于相移顯微干涉和面內補償的MEMS離面運動測試［D］.天津，天津大學，2011.

［8］Hu Xiaodong，Hu Chunguang，Chen Zhi，et al.Mea?suring in-plane and out-of-plane coupled motions ofmi?crostructures by stroboscopic microscopic interferometry［J］.Optics&Laser Technology，2007，39：1176-1182.

［9］胡曉東，田淑英，陳治，等.數字散斑相關技術在微結構平面運動測試中的應用［J］.納米技術與精密工程，2008，6（6）：450~453.

［10］陳治.MEMS微結構平面運動測量方法的研究［D］.天津，天津大學，2007.

［11］胡曉東，田淑英，胡小唐.數字散斑相關技術在微結構平面運動測試中的應用［J］.納米技術與精密工程，2008，6（6）：450-453.

［12］Xie Y J，Liu SY，Shi T L，etal.Measurement Sys?tem for MEMSDynamics Characterization with Environ?mental Control Facility［C］.IEEE Review of Advance?ments in Micro and Nano Technologies（IEEE-NEMS 2006），2006.

［13］胡曉東，栗大超，郭彤，等.微結構特性的光學測試平臺［J］.光學學報，2005，25（6）：803-808.

［14］蔡晨光，樊尚春.基于Polytec激光測振儀的微振動測試分析系統［J］.測控技術，2004，23（4）：5-18.

［15］傅星，劉昀強，胡曉東，等.適用于MEMS動態測量的顯微激光多普勒技術［J］.光電子·激光，2004，15（11）：1357-1360.

［16］鐘瑩，張國雄，冷長林，等.用于微機電系統運動檢測的激光差動多普勒技術［J］.中國機械工程，2006，17（22）：2324-2325，2329.

(編輯：向飛)

Developmentand App lication of Dynam ic Testing Technology ofMEMS

ZHAGN Li-ping，LUQing-hua
（Mechanicaland Electrical Engineering College，Foshan University，Foshan528000，China）

Micro displacementand deformationsaremainlymeasured in dynamics testingwhich is very important in MEMS for themotion characteristic and function ofmicrostructure.Now MEMSdevelops very quickly，and dynamic testing technologymust keep up the pace. In the paper dynamic testing techniques of MEMS researched in home are summarized.Its application and testing range of various technologiesare analyzed.Resultsshow thatnoncontactoptic testing technique isgettingmore attention and the comprehensive testingwill be themain developmentdirection ofdynamic testing technology ofMicrostructure in MEMS.

microelectromechanicalsystems（MEMS）；dynamic testing；optic testing；comprehensive testing technology

TP271+.4 O348.3

A

1009－9492(2015)04－0057－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.04.015

*國家自然科學基金資助項目（編號：51105077）；廣東省精密裝備與制造技術重點實驗室開放基金資助項目

2014－11－13

張立平，女，1979年生，河北石家莊人，博士，講師。研究領域：機械系統動力學及振動噪聲。已發表論文11篇。