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(jī)、醫(yī)療設(shè)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(chǎn)品的標(biāo)定和質(zhì)量管控至關(guān)重要。
開發(fā)過程分階段進(jìn)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(yīng)。第二階段，通過樣品實測來驗證這些優(yōu)化指標(biāo)，并獲取MEMS器件的總體技術(shù)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(jié)構(gòu)進(jìn)行測試（圖1），得出該結(jié)構(gòu)的機(jī)械振動特性及表面形貌特征。
圖1：被測MEMS器件為懸臂梁結(jié)構(gòu)，對其四個懸臂梁進(jìn)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(nèi)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(jié)構(gòu)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(jìn)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(nèi)置信號發(fā)生器產(chǎn)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(xué)頭來收集懸臂梁反射光作為相位參考。
測試結(jié)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(jìn)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(yīng)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(jié)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(zhì)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(nèi))條件下，利用環(huán)境激勵對MEMS懸臂梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行非接觸式光學(xué)振動測量。試驗表明，即便通過環(huán)境布朗運動進(jìn)行激勵，MSA顯微式激光測振儀也能精確測量出微懸臂梁結(jié)構(gòu)中微弱的振動特性。測量結(jié)果令工程師們振奮，因為一些其它應(yīng)用領(lǐng)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(jìn)行標(biāo)定。這種方法可準(zhǔn)確地測量出彎曲和扭轉(zhuǎn)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(nèi)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(fēng)險。
激光多普勒測振儀所具有的高靈敏度、高準(zhǔn)確性和非接觸式測量方式等優(yōu)點，使其成為精密、輕質(zhì)微型結(jié)構(gòu)在實驗室或生產(chǎn)中進(jìn)行振動分析的首選工具。
