MEMS測(cè)試的技術(shù)課件

微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的測(cè)試匡登峰2001年11月微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的測(cè)試匡登峰1主要內(nèi)容測(cè)試在MEMS中的地位和作用MEMS所用材料的特性測(cè)定微摩擦和磨損的檢測(cè)應(yīng)變與應(yīng)力測(cè)量微機(jī)械運(yùn)動(dòng)速度檢測(cè)MEMS的測(cè)試方法的特點(diǎn)主要內(nèi)容測(cè)試在MEMS中的地位和作用2測(cè)試在MEMS中的地位和作用現(xiàn)在MEMS著重于進(jìn)行商品化，提高產(chǎn)品的可靠性，降低成本和售價(jià)測(cè)試可占到MEMS成本的1/3，如果封裝之后才發(fā)現(xiàn)指標(biāo)不合格，損失就很巨大MEMS從設(shè)計(jì)到封裝全過(guò)程的各個(gè)環(huán)節(jié)都要貫徹測(cè)試的要求，概念—設(shè)計(jì)—生產(chǎn)—封裝—終測(cè)—市場(chǎng)的過(guò)程中，存在著大量的測(cè)試項(xiàng)目測(cè)試在MEMS中的地位和作用現(xiàn)在MEMS著重于進(jìn)行商品化，提3測(cè)試在MEMS中的地位和作用（續(xù)）▲在概念和設(shè)計(jì)中要考慮設(shè)計(jì)的可靠性▲在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中要測(cè)量掩膜特性、材料特性和批量產(chǎn)品的一致性▲在封裝前后要進(jìn)行機(jī)電特性測(cè)量、加強(qiáng)性試驗(yàn)和失效分析▲在進(jìn)入市場(chǎng)后要跟蹤產(chǎn)品用戶的反饋意見(jiàn)，測(cè)量產(chǎn)品的長(zhǎng)期可靠性測(cè)試為MEMS的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）和模擬提供了最直接的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)試在MEMS中的地位和作用（續(xù)）▲在概念和設(shè)計(jì)中要考慮設(shè)計(jì)4測(cè)試在MEMS中的地位和作用（續(xù)）MEMS在封裝測(cè)試之后才能組裝在其工作的系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)與宏觀環(huán)境的連接，從而MEMS的特性才真正發(fā)揮出作用。因此，測(cè)試技術(shù)除了控制整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性外，還決定整個(gè)系統(tǒng)的堅(jiān)固性、可靠性和維護(hù)性相關(guān)的因素。測(cè)試在MEMS中的地位和作用（續(xù)）MEMS在封裝測(cè)試之后才能5MEMS所用材料的特性測(cè)定微型材料力學(xué)性質(zhì)測(cè)量膜片弓曲測(cè)量超聲法和超聲顯微鏡法振動(dòng)法間接測(cè)量動(dòng)態(tài)彈性模量光熱輻射法和光聲法電子散斑干涉術(shù)（ESPI）材料疲勞特性測(cè)量MEMS所用材料的特性測(cè)定微型材料力學(xué)性質(zhì)測(cè)量6微型材料力學(xué)性質(zhì)測(cè)量日本機(jī)研所中野禪等人開(kāi)發(fā)了微型三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)機(jī),成功地測(cè)試了跨度400μ，直徑數(shù)10μ的線材彎曲剛度和彈性模量。美國(guó)加州大學(xué)Huang等人發(fā)展了一種新型的單晶硅微尺度拉伸試驗(yàn)，用來(lái)研究尺度對(duì)材料力學(xué)性質(zhì)的影響。微型材料力學(xué)性質(zhì)測(cè)量日本機(jī)研所中野禪等人開(kāi)發(fā)了微型三點(diǎn)彎曲實(shí)7膜片弓曲測(cè)量用抽真空的方法為膜片加載，使其弓曲用壓力計(jì)讀出壓力，顯微鏡測(cè)得變形繪出力與變形曲線，從曲線中求出膜片材料的彈性模量E用光測(cè)法測(cè)出弓底曲率變化，可以推算出內(nèi)應(yīng)力本方法設(shè)備簡(jiǎn)單，但誤差較大，屬于間接測(cè)量膜片弓曲測(cè)量用抽真空的方法為膜片加載，使其弓曲8超聲法和超聲顯微鏡法利用物質(zhì)對(duì)超聲波響應(yīng)不同，可以檢測(cè)材料的內(nèi)部情況丹羽登通過(guò)測(cè)定聲速衰減，測(cè)定了材料密度和材料的粘彈性佐藤等人通過(guò)超聲法同時(shí)測(cè)定材料的厚度變化和聲速山中一司等人利用超聲顯微鏡掃描方法測(cè)量材料的彈性波超聲法和超聲顯微鏡法利用物質(zhì)對(duì)超聲波響應(yīng)不同，可以檢測(cè)材料的9振動(dòng)法間接測(cè)量動(dòng)態(tài)彈性模量K.E.Peterson用靜電加載使懸臂梁產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)，用光測(cè)法檢測(cè)位移響應(yīng)信號(hào)，然后求出材料的彈性模量張忠等利用動(dòng)態(tài)激光散斑相干法測(cè)量振動(dòng)，獲得高溫超導(dǎo)材料的小梁的前五階頻率，推算出這種材料的動(dòng)態(tài)彈性模量L.M.Zhang等人也利用類(lèi)似的振動(dòng)測(cè)試方法，通過(guò)測(cè)試固有頻率，測(cè)得材料的彈性模量振動(dòng)法間接測(cè)量動(dòng)態(tài)彈性模量K.E.Peterson用靜電10光熱輻射法和光聲法南京大學(xué)張淑儀等人利用選擇不同相位的熱波信號(hào)的方法，對(duì)不透明材料的亞表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行分層成像，縱向分辨力可優(yōu)于1μH.Nabeta等人測(cè)量了幾百微米厚壓接銅板中1μ-100μ的剝離YNagata等人利用變波長(zhǎng)激光，根據(jù)積層結(jié)構(gòu)對(duì)光吸收的色選擇性，從彎曲振動(dòng)的位相信息中判斷積層順序光熱輻射法和光聲法南京大學(xué)張淑儀等人利用選擇不同相位的熱波信11電子散斑干涉術(shù)（ESPI）DevilTRead提出利用電子散斑干涉術(shù)（ESPI），可以非常精確地測(cè)量出材料的彈性模量電子散斑干涉術(shù)（ESPI）DevilTRead提出利用12材料疲勞特性測(cè)量SCBromley等人對(duì)161個(gè)特殊設(shè)計(jì)的微多晶硅器件進(jìn)行了加載失效測(cè)量，并計(jì)算了相應(yīng)的名義疲勞。TaekoAndo等人利用片上測(cè)試裝置方法在準(zhǔn)靜態(tài)單軸張力加載情況下，測(cè)試了單晶硅MEMS器件的張力疲勞。材料疲勞特性測(cè)量SCBromley等人對(duì)161個(gè)特殊設(shè)計(jì)13微摩擦和磨損的檢測(cè)直接測(cè)量微機(jī)械瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)微摩擦測(cè)定裝置薄膜微摩擦、磨損實(shí)驗(yàn)利用隧道效應(yīng)顯微鏡研究微摩擦間接測(cè)量微摩擦微摩擦和磨損的檢測(cè)直接測(cè)量微機(jī)械瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)14直接測(cè)量微機(jī)械瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)Tai.Y等人對(duì)微電機(jī)瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)的直接測(cè)量Gabrielk.J對(duì)微型硅制空氣渦輪機(jī)瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)的直接測(cè)量Lim.M.G等人對(duì)多晶硅結(jié)構(gòu)的直接測(cè)量分別推算出了多晶硅與多晶硅、多晶硅與氮化硅之間的動(dòng)、靜摩擦系數(shù)直接測(cè)量微機(jī)械瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)Tai.Y等人對(duì)微電機(jī)瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)的直接15微摩擦測(cè)定裝置U.Beeschvinger等人通過(guò)陶瓷梁推動(dòng)用LIGA工藝加工成的微小結(jié)構(gòu)，在不同材料襯底上運(yùn)動(dòng)，得到了不同材料之間的靜摩擦和動(dòng)摩擦系數(shù)日本NoquchiK等人利用置于兩電極絕緣體之間的微小滑塊和底板之間形成摩擦，測(cè)量滑塊初始電平可得到靜摩擦系數(shù)，測(cè)量滑塊通過(guò)間隙的瞬態(tài)過(guò)程，可以求得動(dòng)摩擦系數(shù)微摩擦測(cè)定裝置U.Beeschvinger等人通過(guò)陶瓷梁16薄膜微摩擦、磨損實(shí)驗(yàn)利用由轉(zhuǎn)盤(pán)、滑塊、微壓力加載懸臂梁和應(yīng)變片構(gòu)成的微摩擦磨損測(cè)量裝置，可以模擬微摩擦生成條件，轉(zhuǎn)盤(pán)上和滑塊上可鍍潤(rùn)滑膜，接觸法向力由微壓力加載梁提供，切向摩擦力可用應(yīng)變片測(cè)得。當(dāng)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)一定周數(shù)后，可用光學(xué)顯微鏡直接觀察磨損情況。薄膜微摩擦、磨損實(shí)驗(yàn)利用由轉(zhuǎn)盤(pán)、滑塊、微壓力加載懸臂梁和應(yīng)變17利用隧道效應(yīng)顯微鏡研究微摩擦Mate等在原子力顯微鏡基礎(chǔ)上研制了微摩擦力顯微鏡FFM，美Ju-AiRuan綜合論述了利用各種類(lèi)型FFM研究不同材料的微摩擦與磨損楊勇在博士論文中提出了一種新型的“（FFM）局域點(diǎn)摩擦力測(cè)量方法”，該方法可以實(shí)現(xiàn)局域點(diǎn)和特定位置的摩擦力測(cè)量，摩擦力測(cè)量值不受其它位置的影響利用隧道效應(yīng)顯微鏡研究微摩擦Mate等在原子力顯微鏡基礎(chǔ)上研18間接測(cè)量微摩擦上海交大曹長(zhǎng)江等人提出了一種全新的間接測(cè)量微摩擦的方法，利用微馬達(dá)同時(shí)作為驅(qū)動(dòng)元件和測(cè)試元件，通過(guò)分析微馬達(dá)在施加力前后運(yùn)動(dòng)特性的改變，間接地計(jì)算出微摩擦力的大小。間接測(cè)量微摩擦上海交大曹長(zhǎng)江等人提出了一種全新的間接測(cè)量微摩19應(yīng)變與應(yīng)力測(cè)量位移法測(cè)應(yīng)變和應(yīng)力屈服法測(cè)應(yīng)力和應(yīng)變偏轉(zhuǎn)法測(cè)應(yīng)變和應(yīng)力由梁的固有頻率測(cè)應(yīng)力和應(yīng)變閥值電壓法測(cè)應(yīng)力和應(yīng)變應(yīng)變與應(yīng)力測(cè)量位移法測(cè)應(yīng)變和應(yīng)力20位移法測(cè)應(yīng)變和應(yīng)力MGAllen等人設(shè)計(jì)了微型的（長(zhǎng)和寬約幾十微米）的T型結(jié)構(gòu)和H型結(jié)構(gòu)應(yīng)變測(cè)試裝置,在受拉應(yīng)變時(shí)，T型結(jié)構(gòu)橫梁彎曲，變形為δT，H結(jié)構(gòu)寬梁與窄梁連接處產(chǎn)生位移δH。因?yàn)棣腡和δH與其應(yīng)變?chǔ)臫和εH有確定的函數(shù)關(guān)系，只需測(cè)量δT和δH，就可求出被測(cè)件的應(yīng)變和應(yīng)力。位移法測(cè)應(yīng)變和應(yīng)力MGAllen等人設(shè)計(jì)了微型的（長(zhǎng)和寬21屈服法測(cè)應(yīng)力和應(yīng)變HGuckel等設(shè)計(jì)的微型測(cè)試裝置，將上述框架中獨(dú)立結(jié)構(gòu)變成細(xì)梁，細(xì)梁在臨界壓縮載荷下屈服。利用掃描電鏡清楚地觀察到梁的屈服現(xiàn)象，從而確定梁的應(yīng)變。屈服法測(cè)應(yīng)力和應(yīng)變HGuckel等設(shè)計(jì)的微型測(cè)試裝置，將上22偏轉(zhuǎn)法測(cè)應(yīng)變和應(yīng)力HGuckel等人將上述裝置中兩梁的伸長(zhǎng)和縮短轉(zhuǎn)換成第三根梁的旋轉(zhuǎn)，其偏轉(zhuǎn)角度可以利用掃描電鏡（SEM）測(cè)出。偏轉(zhuǎn)角與試件的應(yīng)變有確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，然后就可以推算出拉應(yīng)力和壓應(yīng)力偏轉(zhuǎn)法測(cè)應(yīng)變和應(yīng)力HGuckel等人將上述裝置中兩梁的伸長(zhǎng)23由梁的固有頻率測(cè)應(yīng)力和應(yīng)變測(cè)試裝置中梁的固有頻率和梁所承受的應(yīng)變應(yīng)力狀態(tài)有對(duì)應(yīng)關(guān)系。激勵(lì)梁，檢測(cè)出其固有頻率，可求出相應(yīng)的應(yīng)力和應(yīng)變。由梁的固有頻率測(cè)應(yīng)力和應(yīng)變測(cè)試裝置中梁的固有頻率和梁所承受的24閥值電壓法測(cè)應(yīng)力和應(yīng)變微型梁在壓應(yīng)力下處于不平衡狀態(tài)，當(dāng)在梁和與梁有一定間隙的基底之間加上電壓后，產(chǎn)生靜電力作用，當(dāng)所加電壓增大到一定值時(shí)，梁突然失穩(wěn)，由于屈曲，輸出電壓突然下降，這時(shí)電壓稱閥值電壓。通過(guò)測(cè)量出閥值電壓，就可以推導(dǎo)出內(nèi)應(yīng)力和彈性模量。閥值電壓法測(cè)應(yīng)力和應(yīng)變微型梁在壓應(yīng)力下處于不平衡狀態(tài)，當(dāng)在梁25微機(jī)械運(yùn)動(dòng)速度檢測(cè)頻閃測(cè)轉(zhuǎn)速用光纖傳感器測(cè)轉(zhuǎn)速內(nèi)裝光伏器件測(cè)轉(zhuǎn)速運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)試儀微機(jī)械運(yùn)動(dòng)速度檢測(cè)頻閃測(cè)轉(zhuǎn)速26頻閃測(cè)轉(zhuǎn)速美國(guó)麻省理工學(xué)院Stephan等人，用頻閃光源照射旋轉(zhuǎn)的微電機(jī)，用裝在顯微鏡上的CCD攝象機(jī)，拍攝下馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)情況，并記錄下來(lái)，然后逐幀分析磁盤(pán)上的信息，可測(cè)得馬達(dá)轉(zhuǎn)速。加利福尼亞的YuChongTai等人也用攝象機(jī)通過(guò)顯微鏡錄象，分析錄象信息來(lái)確定馬達(dá)轉(zhuǎn)速。頻閃測(cè)轉(zhuǎn)速美國(guó)麻省理工學(xué)院Stephan等人，用頻閃光源照射27用光纖傳感器測(cè)轉(zhuǎn)速美國(guó)猶他州Jacobsen等人在馬達(dá)轉(zhuǎn)子軸上加工一個(gè)小平面，使它與周?chē)胁煌瓷渎剩す馔ㄟ^(guò)光纖照到小平面上，反射光經(jīng)光纖被光電池接收，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)動(dòng)一周，光電池就接收一個(gè)較強(qiáng)的光脈沖，通過(guò)測(cè)量光電池輸出電脈沖數(shù)，可測(cè)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)數(shù)。用光纖傳感器測(cè)轉(zhuǎn)速美國(guó)猶他州Jacobsen等人在馬達(dá)轉(zhuǎn)子軸28內(nèi)裝光伏器件測(cè)轉(zhuǎn)速清華大學(xué)孫曦慶等人在電機(jī)轉(zhuǎn)子下集成光伏器件，一束平行光垂直照射在轉(zhuǎn)子所在平面上，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，光伏器件出現(xiàn)受光和被遮蓋兩種狀態(tài)，使其輸出高低兩種電平。這樣，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，在輸出端就會(huì)得到與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)數(shù)相一致的脈沖信號(hào)。通過(guò)對(duì)脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)，得到微馬達(dá)轉(zhuǎn)數(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了內(nèi)檢測(cè)。內(nèi)裝光伏器件測(cè)轉(zhuǎn)速清華大學(xué)孫曦慶等人在電機(jī)轉(zhuǎn)子下集成光伏器