MEMS的测试技术.ppt

1、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

2、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

3、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400，直径数10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

4、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1 H. Nabeta等人测量了几百微米厚压

5、接铜板中1-100的剥离 Y Nagata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）,Devil T Read 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,S C Bromley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。 Taeko Ando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

6、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Noquchi K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

7、,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-Ai Ruan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

8、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,M G Allen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T，H结构宽梁与窄梁连接处产生位移H。因为T和H与其应变T和H有确定的函数关系，只需测量T和H，就可求出被测件的应变和应力。,屈服法测应力和应变,H Guckel等设计的微型测试装置，将上述框架中独立结构

9、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,H Guckel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

10、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Yu Chong Tai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