低温环境下MEMS动态测试系统.docx

低温环境下 mems 动态测试系统*张习文，王晓东，佘东生，王立鼎（大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室大连 116024）摘 要：研制了低温环境下 mems 动态特性测试系统。对低温环境的产生及其关键问题、低温环境下的激励方法、信号检测方法，及高速数据采集方法进行了初步研究。采用半导体冷阱产生低温环境，为防止低温下结霜对测试精度造成影响，测 试在真空环境中进行。研制了基于压电陶瓷的底座激励装置，用于低温环境下对微器件激励。采用 2 种方法用于低温环境下 微器件振动响应信号的检测，一种是采用内置敏感元件的方法，被测微器件受到激励后自身输出信号，经高速数据采集单元 采集进入计算机；另一种是采用激光多普勒测振仪在低温环境外部进行检测。以 labview 为平台开发了测试系统控制软件， 实现了微器件激励、数据采集、存储自动化。对系统的总体设计、硬件组成、系统功能、实验研究等方面作出了详细阐述。 关键词：mems；动态测试；低温；labview中图分类号：th825文献标识码：a国家标准学科分类代码：460 4099dynamic test system for mems in low temperature environmentzhang xiwen,wang xiaodong,she dongsheng,wang liding(key laboratory for precision and non-traditional machining technology of ministry of education, dalian university of technology, dalian 116024, china)abstract：a dynamic test system for mems in the environment of low temperature was developed. the issues oflow temperature environment generation, micro device excitation in low temperature environment, response sig- nal detection and high speed data acquisition are discussed. a thermoelectric cooling refrigerator is utilized as the low temperature environment; to prevent the influence of frost on test precision in low temperature environment, dynamic test is carried out in vacuum environment. an excitation device used in low temperature environment is developed, which adopts a piezoelectric ceramic as the driving source. two schemes are adopted to realize the measurement and acquisition of the oscillation signal of the micro structure in low temperature: one is the built-in sensor method, with which the micro structure outputs signal by itself when it is excited and the signal is acquired into a computer through a high speed data acquisition unit; another one uses a laser-doppler vibrometer to meas- ure the signal outside the low temperature environment. the test control system software is written based on lab- view, and the automation of the excitation, data acquisition and storage is realized. this article elaborates the system design, hardware and software composition and experiment result in details.key words：mems; dynamic test; low temperature; labview广泛和深入。随着 mems 从研究阶段逐渐步入产业化, 对测试系 统特别是对动态测试系统的需求越来越迫切, 这是因为 动态特性反映了器件的基本性能，如微惯性传感器，其 通过微结构的微小位移或变形来实现测量功能，其微结 构的振型和谐振频率等动态特性在很大程度上决定了器引言1微机电系统（mems）是多学科交叉融合的前沿技术。以其低成本、微型化、低功耗的优势，在汽车、电 子、家电、机电等行业和航空、航天领域中的应用日渐收稿日期：2009-01received date：2009-01第 12 期张习文 等：低温环境下 mems 动态测试系统2519件性能1。微结构的机械力学参数、可靠性与 mems 器件失效模式、失效机理等关键问题也可通过 mems 动态 测试加以反映。因此，mems 动态测试技术近年来得到 了国内外许多研究机构的高度重视2-3。低温环境下测试 mems 器件的动态特性随温度变化是动态测试的一个重 要部分，通过测试不仅可以了解 mems 器件抗恶劣工作 环境的能力，拓宽 mems 器件的应用领域，还可以通过 测量 mems 器件在不同低温环境中对激励的振动响应， 确定低温对其振动频率等动态特性的影响,从而可改进 微器件的结构及微惯性传感器的封装，使其受低温的影 响达到最小。由于 mems 尺寸小、质量轻、微机械部件运动的幅 度小、需要非接触无损测量等特点，传统的动态测试手 段难以满足要求。目前用于 mems 动态特性测试的方法 主要有 2 种：一种是内置敏感元件测试，通过对设计结 构作简单改变，将敏感元件集成在器件内，测试时只需 要对外围电路作较小调整就可以完成对器件自身的动态/静态测试4；另一种 mems 动态测试技术是光学测试， 光学测试具有非接触测量、测试精度高、响应快的优点， 在 mems 动态测试中得到广泛的应用，如频闪显微干涉技术、计算机微视觉技术、激光多普勒测振技术等5。不同于一般常规动态测试技术，低温环境下 mems 动态测 试需要解决的问题有：低温环境的产生、低温环境下微 器件的激励、振动响应信号的检测等。本文介绍了基于 内置敏感元件测试技术和激光多普勒测振技术研制的低 温环境下 mems 动态特性测试系统，对微器件在低温环 境下的动态测试技术进行了研究。系统总体设计2图 1 为设计的低温环境下微器件动态特性测试系统结构框图，该系统包括计算机控制单元、低温环境单元、 高速数据采集单元、激光多普勒测振单元及真空泵、水 冷机等外围设备。选用半导体冷阱产生低温环境，微器 件及其激励装置安装在真空腔体中，真空腔放置在冷阱 中整体降温，激励装置选用压电陶瓷作为冲击源，测试 系统通过数字 i/o 控制压电陶瓷冲击电源输出冲击信号， 从而控制微器件的激励。微器件的振动信号可由高速数 据采集单元采集，通过计算机进行分析，或直接由激光 多普勒测振仪检测分析。图 1 测试系统结构框图fig.1 block diagram of the test system的温度，但操作困难，控制精度较低。半导体制冷又称热电制冷，它是利用热电效应(即帕尔贴效应)的一种制冷 方法。其原理如图 2 所示，当有电流通过半导体致冷片 时，致冷片一面变热另一面变冷，为了获得更低的制冷 温度采用多级热电堆制冷，后一级（较高温度级）的冷 端是前一级的热端散热器。最后一级的热端采用风冷或 水冷的方式冷却。采用半导体制冷具有结构简单、体积 小、容易控制的优点，缺点是制冷量较小、降温较慢， 但对于尺寸微小的 mems 器件来说，半导体制冷更适于3 系统实现3.1低温环境的产生及其关键问题研究目前用于低温环境下微小型器件测试实验的低温获 取方法的主要有压缩机制冷法6、液氮7、液氦制冷法8、 半导体制冷9-10等方法。压缩机制冷通常采用双级压缩机 以获得较低温度，制冷温度可达90 ，这种制冷方法 制冷量大，降温快，容易控制，但是制冷机运行时有振 动、体积较大、成本较高。液氮、液氦制冷可获得较低2520仪 器 仪表 学 报第 30 卷mems 测试中低温环境的产生。要有外部物理场/能激励方式如声波激励、超声激励、静电激励、磁激励等；内部集成激励方式如热激励、压电 激励等；底座激励方式如压电底座激励、静电底座激励 及超声底座激励等。其中外部物理场/能激励方式和内部 集成激励方式要么难以在低温环境下应用，要么受低温 环境的影响较大。底座激励可实现较宽带宽的激励，结 构简单、通用性强，且不受低温环境影响，适于低温环 境下的微器件激励。压电陶瓷具有输出较大推力的特性， 而且压电陶瓷的输出特性低温真空环境中不发生变化， 因此采用压电陶瓷底座激励方式。综合考虑微器件的安装和热传导，以及压电陶瓷的 受力状况，设计了如图 4 所示激励装置，压电陶瓷预紧 力的大小通过调节十字弹簧片的变形实现。3.3低温环境下微器件的振动响应信号检测低温环境下针对微器件振动信号的检测可采用2 种方 法，普通微器件可直接采用激光多普勒测振仪采集，内置 压阻或压电等敏感元件的微器件既可选择采用高速数据 采集单元采集，也可直接采用激光多普勒测振仪采集。图 2 热电制冷原理fig.2 principle of thermoelectrical refrigeration本文采用半导体冷阱产生低温环境，冷阱制冷范围为60至室温，示值精度为0.1 ，可通过 rs485 串口与 计算机通信。低温环境下微器件测试装置如图 3 所示。图 3 低温环境下微器件动态测试装置fig.3 the dynamic test device微器件尺寸较小，频率较高，任何微小的物体附着其上均可能造成较大测量误差，为防止水蒸气在低温下凝结 在微器件上，影响测试精度，微器件测试需要在真空密闭 环境中进行，真空环境腔体基于此目的设计。激光多普勒 测振仪对使用环境要求较高，无法安装在低温环境中，因 此在真空腔体及低温冷阱上均安装光学玻璃，激光多普勒 测振仪安装在低温环境外部对低温环境中的微器件进行 测试。为满足微器件输出信号及抽真空的需要，真空环境 腔体上安装有电气接口及气压传感器等部件。降温后，因 冷阱内外温差较大，冷阱玻璃窗上产生结雾现象，无法进 行光学测试，因此在进行测试前，使用玻璃防雾剂喷涂玻 璃窗口，其作用机理是使凝结在玻璃上的雾滴形成一层均 匀的水膜，从而消除玻璃结雾对测试的影响。3.2 低温环境下微器件的激励方法由于 mems 中的微器件尺寸小，常规激励方式已无 法应用于 mems 动态测试中。mems 动态测试中采用间 接或非接触式激励方式。目前用于微器件的激励方法主1 外壳体；2 压力传感器；3 球体底座；4 钢球；5 压电陶瓷底座；6 压电陶瓷；7 十字弹簧片；8 被测微器件及微器件载台图 4 微器件激励装置fig.4 microstructure excitation device3.3.1信号调理及高速数据采集单元内置有压阻元件的微器件在发生形变时，电阻会发 生变化，将电阻连接到桥路中，微器件受到冲击激励后 作自由衰减振动，桥路输出作自由衰减的电压振荡信号， 该信号较微弱，需要信号调理电路进行放大滤波。为了 提取微小的电压信号，采用差动输入的方式，提高共模 抑制比。ad524 是由 5 个运算放大器构成的精密仪表运 算放大器。g=100 时，共模抑制比大于 95 db，最高响应 带宽可达 25 mhz ，适于高频信号的放大处理。采用 ad524 的电桥信号调理电路如图 5 所示。第 12 期张习文 等：低温环境下 mems 动态测试系统2521以通过一个物镜适配器将光束聚焦为一个小于 1.5 m 的斑点，因此激光多普勒测振仪可测量微器件上一点的瞬 时离面运动。图 5 测试信号调理电路fig.5 test signal conditioning circuit桥路采用 2.5 v 基准电压供电，r5r7 用来平衡电桥，r8 用来消除输入失调电压，输入放大后的信号经过 r9、c1 和 r10、c2 组成的高通滤波电路处理后进入数据采集卡。 值得注意的是，采用内置压阻元件的微器件进行测试时，微器件通电后会出现发热现象.以一种硅基压阻式梁-质量块微结构试件为例，其体积 v 约为 0.32 mm3，等 效电阻 r 约为 45 k，则微器件热容量 c 及电阻加热功 率 p 分别为：c=mc0.53 mj/ p=u2/r0.14 mw 不考虑热传导及散热，则微器件升温速度约为：v=p/c0.26 /s由此可见，微器件发热现象不可忽略，为此，主要 采取了 2 种措施来减小微器件发热对测试的影响：一种 是缩短桥路通电时间，仅在冲击测试时对桥路供电；另 一种是降低桥路供电电压，减小电阻加热功率。对内置压电元件的微器件进行测试时，信号调理采 用电荷放大器，直接将微器件输出信号放大后输出到采 集卡进行采集。除微器件振动响应信号外，数据采集单元还需要采集 温度、气压等低频信号。因此要求数据采集卡具有高速、 低速、多通道采集功能。综合比较后选用研华公司的 pci1712 数据采集卡，它与计算机通过 pci 插槽相连接, 主要性能指标如下:16 路单端/8 路双端模拟输入，2 个数 字 i/o 端口；12 位精度,最高采样频率 1 ms/s，支持 dma 方式采集，该采集方式速度快，适用于高频信号的采集。3.3.2激光多普勒测振仪 激光多普勒测振仪的工作原理是，多普勒测振镜头固定安装在物体振动方向上，如图 6 所示，安装在多普 勒测振镜头中的光源发射激光，光波从运动的物体上反 射并由测振镜头内的探测器接收时，探测器所收到的光 频率将是变化的，经过配套软件的分析即可获得物体振 幅、振动速度、振动频率等参数。激光多普勒测振仪可图 6 激光多普勒测振仪fig.6 laser-doppler vibrometer3.4测试系统控制软件软件在 labview7.1 环境下进行设计开发。测试系统 软件的主要功能包括：1)环境控制及监测。监测冷阱工作 状态，调节冷阱温度，测量微器件温度及真空腔内气压值；2)微器件测试。控制激励装置对微器件施加冲击激励，采 集、存储微器件受到激励后的振动响应信号；3)信号处理。 对采集到的微器件振动响应信号进行处理，得到微器件的 谐振频率，生成测试报告。软件涉及到了多个底层硬件资 源的操作,且需要同时执行多项任务，因此程序的优化以及 运行效率问题就显得较为重要,在软件的开发中运用了 labview 所支持的多项先进编程技术,如多线程技术、队 列、通知器、功能全局变量等。软件采用模块化编程方法， 单独编写、调试各个功能模块，最后再将各个模块整合为 一套系统，软件功能结构如图 7 所示。图 7 软件结构示意图fig.7 sketch map of the software structure2522仪 器 仪表 学 报第 30 卷在所有功能模块中，温度控制模块与微器件测试模块都需要对数据采集卡进行操作。温度、气压信号为低频信 号，采用普通方式采集；微器件振动为高频信号11，在采 集时通常采用 1m 采样频率，微器件振动信号采集采用 dma 方式，采用 2 种采集方式的 2 个功能模块同时占用硬 件资源时将发生冲突。由于微器件振动信号频率较高，振 动衰减时间一般在 0.2 s 以内，温度及气压信号频率较低， 短时间内不会发生突变，因此，可采用“中断”的方法解决 采集方式冲突的问题，即当需要进行高频信号采集时，暂 停低频信号的采集，高频信号采集结束后再恢复低频信号 的采集。软件工作流程如图 8 所示。由于硬件延时，软件 运行时间等原因，低频信号的采集中断时间约为 3 s 左右。分别采用相同结构两种尺寸的硅基压阻式微悬臂梁作为测试件，如图 9 所示。测试时室内环境温度为 25，调 节冷阱降温，当微器件达到预定温度后，控制压电陶瓷 产生冲击激励，得到微器件的响应信号，通过对响应信 号进行频谱分析，得出微器件在该温度下的谐振频率。 图 10 为基于内置敏感元件测试技术得到的器件 1 在50低温环境中的冲击响应曲线。图 11 为器件 1 的响 应信号经处理后得到的频谱图，由图可得该微器件谐振频率为 4.00 khz。图 12 为基于激光多普勒测振技术得到 的器件 2 在50环境中的冲击响应频谱图，测得该微器件谐振频率为 8.07 khz。图 9 微器件 sem 图fig.9 sem image of a micro structure图 10 微结构试件 1 在50环境中冲击响应曲线fig.10 impulse response of microstructure 1# in50environment图 8 软件工作流程图fig.8 flow chart of the software微器件测试模块采集到的微器件振动信号自动保存在计算机中，用户通过离散时-频域变换，可得到微器件 振动频谱图，从图上即可读取微器件的谐振频率。除了各功能模块外，另编写主控模块用于将各模块 整合为一套系统，协调各功能模块的运行，同时主控模 块也提高了软件的可扩展性。图 11 微结构试件 1 在50环境中冲击响应频谱图fig.11 frequency spectrum of microstructure 1# in 50environment测试实验4图 12 微结构试件 2 在50环境中冲击响应频谱图fig.12 frequency spectrum of microstructure 2# in 50environment本文分别基于内置敏感元件测试技术及激光多普勒测振技术进行了微器件在低温环境下的动态特性测试，第 12 期张习文 等：低温环境下 mems 动态测试系统25237chuang w h, luger t, ghodssia r. a cryogenic measurement setup for microelectromechanial systems used in space applicationsj. review of scientific in- struments, 2005,76(4):045105-045105-6.braley m, windley t, hess h. a low cost method for environmental testing at cryogenic temperaturesc. autotestcon, ieee, 2005:589-595.riffat s b, ma x l. thermoelectric: a review of pre- sent and potential applications j. applied thermal en- gineering, 2003(23):913-935.huebener r p, tsuei c c. prospects for peltier cool- ing of superconducting electronicsj. cryogenics, 1998,38:325-328.wang x d, li n, wang t, et al. dynamic characteris- tic testing for mems micro-devices with base excita- tionj. measurement science & technology, 2007,18(6):1740-1747.作者简介张习文，2006 年于华中农业大学获得学 士学位，现为大连理工大学机械工程学院博 士研究生，主要研究方向为精密仪器与机械。e-mail: zhang xiwen received his bachelor degree from huazhong agricultural university in5结论本文介绍了基于内置敏感元件测试技术和激光多普勒测振技术的低温环境下微器件动态特性测试系统，采 用半导体低温冷阱产生低温环境，设计并实现了用于低 温下微器件激励的压电陶瓷底座激励装置，介绍了 2 种 用于低温环境下微器件振动响应信号检测方法，开发了 测试系统控制软件。利用本系统进行了50环境下的微 器件动态特性测试，实验结果表明测试系统可用于实现 低温环境下的 mems 动态测试。参考文献89101wang t, wang x d, wang l d, et al. dynamic characteristics and testing techniques of micro-inertial component under high load c. 6th international sym- posium on test and measurement, dalian, china, 2005(9):8753-8756.孙立宁,周兆英,龚振邦. mems 国内外发展状况及我国mems 发展战略的思考j. 机器人技术及应用, 2002 (2):2-4.sun l n, zhou zh y, gong zh b. the status of mems development inside and outside and the develop strategic considering in our countryj. robot technology and application , 2002(2):2-4.lin, r m, wang w j. structural dynamics of micro- systems-current state of research and future directions j. mechanical systems and signal processing, 2006,20(5):1015-1043.xiong x g, wu y l, jone w b. a dual-mode built-in self-test technique for capacitive mems devicesj. ieee transaction on instrument and measurement, 2005,54(5):1739-1750.11232006. currently h