使用超高分辨率顯微式激光測振儀MSA-600獲取受分子布朗運動激勵的多懸臂梁MEMS微器件的振動特性。這種新穎的測試方法還可用于如原子力顯微鏡（AFM）的微小針尖的振動測量。
MEMS器件，如微型傳感器或執(zhí)行器，如今已成為消費電子、汽車、飛機、醫(yī)療設備和儀器的基本元器件。MEMS器件在環(huán)境激勵下的測試數(shù)據(jù)對于開發(fā)功能性樣品以及成熟產品的標定和質量管控至關重要。
開發(fā)過程分階段進行：第一階段，計算數(shù)字模型來優(yōu)化MEMS性能，最小化寄生或偏置效應。第二階段，通過樣品實測來驗證這些優(yōu)化指標，并獲取MEMS器件的總體技術參數(shù)。在本文中，我們使用德國Polytec公司的MSA顯微式激光測振儀來對MEMS多懸臂結構進行測試（圖1），得出該結構的機械振動特性及表面形貌特征。
圖1：被測MEMS器件為懸臂梁結構，對其四個懸臂梁進行測量，即左下方區(qū)域。
懸臂梁寬65μm，長795 ~ 825μm。
MSA顯微式激光測振儀集多種測量功能于一體：基于激光多普勒原理的面外振動測量，基于頻閃法的面內振動分析，基于白光干涉原理的表面形貌測量（圖2）。
圖2：使用MSA系統(tǒng)的基于白光干涉原理的形貌測量模塊，測量出懸臂結構的表面缺陷
環(huán)境激勵的振動測量
振動測試分兩個階段進行：首先，使用主動激勵的方式，激勵信號由粘在MEMS器件底座上的壓電陶瓷片來提供；第二，僅由環(huán)境作為激勵，也稱為被動激勵。
主動激勵的信號由系統(tǒng)內置信號發(fā)生器產生并傳輸至壓電陶瓷片，同時該信號可用作相位參考；對于環(huán)境激勵，使用耦合在光路中的額外的光纖式光學頭來收集懸臂梁反射光作為相位參考。
測試結果
采用主動激勵方式的懸臂梁的工作變形（ODS）和所有測點平均頻譜圖如圖3所示。為對比這兩種激勵方式下的懸臂梁的振幅和振型，任意選取主動激勵頻譜圖中一個最為明顯的共振峰。由于有相位參考，所有測點的相對相位已知，從而得出振型動畫。觀察振型動畫可選出振幅最大的點，并顯示其頻譜。
圖3：所有測點的平均頻譜圖
隨后，選中采用環(huán)境激勵方式得到的頻譜中的相同頻率。與主動激勵方式一樣，選擇振幅最大的點，并顯示其頻譜。四個獨立懸臂梁的每一個懸臂梁均挑出一個頻率，顯示該頻率下主動激勵和環(huán)境激勵下的ODS，并進行比較。本次用于對比分析的頻率點是第二階彎曲模態(tài)對應的頻率。
圖4顯示的是自激勵懸臂梁在130.9 kHz時振型。被動激勵是由環(huán)境中固有的布朗運動形成的。
圖4：被動激勵下，單個懸臂梁在130.9kHz時的工作變形
表1顯示了主動激勵和環(huán)境激勵下測試結果的比較。由于是采用環(huán)境激勵，其共振峰值要比主動激勵大約低三個數(shù)量級。盡管如此，其信號質量仍然足夠有效地確定振幅和振型(沒有主動激勵)。
表1：主動激勵和被動激勵的數(shù)據(jù)對比
前景和展望
在現(xiàn)場環(huán)境(室內)條件下，利用環(huán)境激勵對MEMS懸臂梁結構進行非接觸式光學振動測量。試驗表明，即便通過環(huán)境布朗運動進行激勵，MSA顯微式激光測振儀也能精確測量出微懸臂梁結構中微弱的振動特性。測量結果令工程師們振奮，因為一些其它應用領域的難題可能會迎刃而解，如原子力顯微鏡（AFM）的微小針尖的振動測量。
無需處理或接觸原子力顯微鏡（AFM）懸臂梁，即可通過激光多普勒測振法對其進行標定。這種方法可準確地測量出彎曲和扭轉彈簧常數(shù)。與傳統(tǒng)的AFM彈簧常數(shù)測量方法（通常需要在儀器內部完成）相比，這種非接觸式測量方法規(guī)避了損壞針尖的風險。
激光多普勒測振儀所具有的高靈敏度、高準確性和非接觸式測量方式等優(yōu)點，使其成為精密、輕質微型結構在實驗室或生產中進行振動分析的首選工具。
