微机电系统动态测试技术的发展及应用*

张立平，卢清华（佛山科学技术学院机械与电气工程学院，广东佛山5283000）

微机电系统动态测试技术的发展及应用*

张立平，卢清华
（佛山科学技术学院机械与电气工程学院，广东佛山5283000）

微机电系统动态测试主要是对微结构的微小位移和变形进行测试研究，其结果直接影响微结构的运动特征和功能，因此在微机电的发展过程中非常重要。随着MEMS的迅速发展，对测试技术不断提出新的要求，尤其是MEMS动态测试面临前所未有的挑战，为此对国内学者在MEMS动态测试技术方面的研究成果进行了归纳总结，分析了其应用场合和测试范围，其中非接触式光学测试方法在MEMS动态测试中备受关注，多种方法相结合的综合测试技术成为MEMS动态测试技术的主要发展方向。

MEMS；动态测试；光学测试；综合测试

当今MEMS是微纳技术研究的重要方向之一，它是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的新兴学科。MEMS微结构测试是微机电系统研究的基础，也是微纳技术研究的重要内容，通常MEMS器件的整体尺寸在几毫米，其关键部件的尺寸在亚毫米至亚微米范围；另一方面，MEMS系统的极微小尺寸及超高频振动响应等决定了其结构动态特性测试的困难性和复杂性，因此传统的测试技术和方法已经不能完全满足其测试要求，于是国内外学者对MEMS系统的动态测试技术和方法展开了大量的研究，并取得了一定成果。本文根据测量原理，对MEMS动态特性测试技术的发展和应用进行了研究。

1　基于模糊合成技术的动态测试

基于模糊合成技术的动态测试又称为基于时间平均技术的动态测试，最早是由美国空军研究实验室的D.J.Burns等最早提出的，实现了MEMS器件面内微运动纳米级分辨率的高精密测量。这种测量方法对器件的上限运动频率没有限制，测量系统比较简单，易于实现自动化，但测量精度不太高，在亚微米以上。天津大学陈治副教授将小波变换边缘检测技术与模糊图像增强技术进行结合，提出了MEMS运动幅值的动态测量方法[1-2]等。

2　基于频闪成像技术的动态测试

频闪动态成像技术形成后，国内有许多学者对频闪成像技术展开了大量的研究，提出多种新的动态测试方法，并用于MEMS器件的平面或离面动态测试。

2.1频闪成像与计算机微视觉相结合的方法

美国麻省理工学院Davis等学者最早开展了基于频闪微视觉系统的MEMS微结构动态特性测试研究。他们将频闪光照技术与计算机微视觉技术相结合研制了一种计算机微视觉系统(CMVS)，测量频率高达100 kHz。该系统可以进行面内和离面运动的测量，精度最高可达2.5 nm。在我国也有很多学者对频闪成像和计算机微视觉技术进行了研究，瞿荣辉等将计算机微视觉和频闪成像技术相结合，采用光纤迈克尔逊干涉仪对微机械部件的微小运动位移进行测量，实现了MEMS微位移的无接触测量[3]。东南大学何小元教授等借助于CCD时间积分成像方法，用显微镜对微电子机械系统的转速进行了测量，测试中系统只能做定轴转动[4]。

基于频闪微视觉系统的图像处理过程需要占用大量的计算机资源，对光源和振动控制的要求特别严格，但该测量方法不需要复杂的干涉光路系统及激光光源，同时能够进行全场测试并方便人机交互，系统的测量频率高、测量精度高，因此，这种低成本的计算机微视觉方法在微运动领域得到了广泛的应用。

2.2频闪成像与光学干涉相结合的方法

随着频闪动态成像技术发展，逐渐被用于微结构的测量。早期Hart等人基于频闪动态成像原理，设计了频闪干涉系统实现MEMS微运动的测量，该系统可以测量微结构的静态和动态运动特性。

我国有很多学者致力于频闪技术的研究，东南大学何小元教授等研制了一套MEMS高频动态测试系统，该系统将频闪成像技术和栅线投影方法相结合，用于微结构的动态测试，实现了微器件三维动态变形的测量[5]。天津大学精仪学院的研究者陈澄等利用频闪成像技术，在Mirau相移显微干涉技术的基础上，建立了一套MEMS动态测试系统，该系统能实现微结构离面运动特性的测试，测量分辨率为0.4 nm[6-7]。天津大学的胡晓东教授提出了MEMS器件面内和离面运动的耦合测量方法[8]，还将数字散斑相关技术应用于微结构平面运动的特性测试中[9]。天津大学的陈治副教授结合频闪成像技术和相移显微干涉技术，实现了MEMS器件面内和离面运动的一体化测量[10]。田淑英等采用数字散斑相关测量方法能够实现MEMS工艺线的在线测试和质量检验[11]。华中科技大学史铁林教授课题组[12]和天津大学胡晓东教授课题组[13]各自开发出了具有自主知识产权的频闪-计算机视觉干涉MEMS三维测量系统，可以测量微结构表面形貌及其运动，是目前国内最先进的MEMS动态测量系统。

总之，基于频闪成像技术的动态测试方法要么对工作环境要求严格，要么对测试资源要求较高，而且只能进行周期性运动MEMS微结构的动态测量，于是针对非周期运动的动态测试方法得到了一定程度的发展。

2.3基于激光多普勒的动态测试技术

激光多普勒动态测试技术是基于波的多普勒效应建立的一种单点振动测量技术，它可以获得MEMS器件的瞬时动态参数，如瞬时速度和瞬时加速度等，该测量方法具有纳米级的测量精度，其技术本身相对比较成熟。该技术配置适当的光学系统，通过改变和设计光路，可用于MEMS器件平面微运动的测量。随之发展起来的扫描激光多普勒测振仪使该系统能用于整个MEMS结构的振动研究。目前该技术在MEMS器件测量中应用集中在器件动态特性的分析。

国内北京航空航天大学的研究者基于Polytec激光测振仪，建立了一套微振动测试分析系统，该系统以激励信号作为线性调频信号，以线性调频Z变换（CZT）进行频谱分析，对机械式硅谐振传感器的频率特性进行了测试分析，该系统的测量效率和测量精度都比较高[14]。天津大学的傅星教授等人将激光多普勒技术和显微技术相结合，建立了一套MEMS器件的动态特性测量仪，对微悬壁梁结构的杨氏模量进行了计算分析，并实现了梁结构离面运动特性的测试[15]。天津大学的钟莹、张国雄等提出一种MEMS构件微小振动、位移测量系统，采用外差法激光多普技术可以实时地得到被测的速度、位移、加速度、频率等参量，系统可实现测量分辨力为20 nm[16]。

激光多普勒测试技术的单点测量精度很高，能以纳米甚至亚纳米级精度实现频率达兆赫兹以上的离面测量，但该方法依赖于较高的光学拍频，需要高速的光电探测器，而且必须借助于扫描才能实现全场测量，特别适合MEMS离面振动频谱的测量。

2.4基于高速摄影成像技术的动态测试

高速摄影成像的动态测试技术的研究起源于德国，该技术将高速摄像机与显微镜相结合，实现非周期或非重复性平面微运动的测量，其测量成本较高，实际应用受到限制。目前我国对该技术的研究还未见报道。

上述的四种方法中，频闪成像与计算机微视觉和干涉技术相结合的方法以及激光多普勒测振技术得到了广泛的研究和应用，是当前两种主要的动态测试技术。但它们无法满足某些特殊领域和特殊测量的需要，于是出现了一些基于其他原理的MEMS动态测试技术，用于平面微运动测量的主要有基于衍射和基于莫尔条纹的测量方法及基于反馈注入干涉和基于X-Ray高速成像的动态测试技术；离面微运动测量中有基于激光偏移和基于时间平均的显微干涉测量技术等。

3　MEMS微结构综合测试技术

当前国外一些公司和学者还致力于MEMS综合测试系统的研发，用于微材料的研究和微结构形状、面内和离面运动的测量，这将是MEMS测试技术发展的大方向。我国在这方面的研究还处于起始阶段。

4　总结

综上所述，当今众多学者对MEMS动态测试的速度、空间精度、灵敏度以及全视场低成本高精度的全视场三维动态测试技术进行了大量的研究。总体上来看，MEMS器件的动态测试技术主要是机械工程与材料科学等学科传统的精密测量技术向微观领域的扩展，其发展趋势主要体现在多种测量方法相结合、单点测量与全视场测量结合、静态测量与动态测量结合、周期运动测量与瞬态运动测量相结合、非接触非破坏测量、在线测量、大视场大工作距离测量、高速自动化测量和网络化远程测量等方面。

［1］陈治，胡晓东，傅星，等.基于分形小波变换的MEMS动态模糊图像亚像素检测技术［J］.纳米技术与精密工程，2009，7（3）：211-215.

［2］陈治，胡晓东，傅星，等.基于模糊集与小波技术的MEMS平面运动测量［J］.仪器仪表学报，2010，31（6）：1369-1374.

［3］瞿荣辉，丁浩，赵浩，等.微机械部件运动的光学测量［J］.功能材料与器件学报，1998，4（2）：141-146.

［4］姜益军，董海凤，何小元.微电子机械系统中转速测量的光学方法［J］.实验力学，2004，19（1）：109-112.

［5］何小元，朱飞鹏，徐莹雋，等.基于频闪栅线投影的三维微结构高频动态测试系统［J］.实验力学，2011，26（5）：592-602.

［6］Hu Xiaodong，Hu Chunguang，Guo Tong，et al.Char⁃acterizing the Behaviour ofMicro electromechanical Struc⁃tures by Optical Interferometry［C］.4th International Workshop on Microfactories，2004：492-497.

［7］陈澄.基于相移显微干涉和面内补偿的MEMS离面运动测试［D］.天津，天津大学，2011.

［8］Hu Xiaodong，Hu Chunguang，Chen Zhi，et al.Mea⁃suring in-plane and out-of-plane coupled motions ofmi⁃crostructures by stroboscopic microscopic interferometry［J］.Optics&Laser Technology，2007，39：1176-1182.

［9］胡晓东，田淑英，陈治，等.数字散斑相关技术在微结构平面运动测试中的应用［J］.纳米技术与精密工程，2008，6（6）：450~453.

［10］陈治.MEMS微结构平面运动测量方法的研究［D］.天津，天津大学，2007.

［11］胡晓东，田淑英，胡小唐.数字散斑相关技术在微结构平面运动测试中的应用［J］.纳米技术与精密工程，2008，6（6）：450-453.

［12］Xie Y J，Liu SY，Shi T L，etal.Measurement Sys⁃tem for MEMSDynamics Characterization with Environ⁃mental Control Facility［C］.IEEE Review of Advance⁃ments in Micro and Nano Technologies（IEEE-NEMS 2006），2006.

［13］胡晓东，栗大超，郭彤，等.微结构特性的光学测试平台［J］.光学学报，2005，25（6）：803-808.

［14］蔡晨光，樊尚春.基于Polytec激光测振仪的微振动测试分析系统［J］.测控技术，2004，23（4）：5-18.

［15］傅星，刘昀强，胡晓东，等.适用于MEMS动态测量的显微激光多普勒技术［J］.光电子·激光，2004，15（11）：1357-1360.

［16］钟莹，张国雄，冷长林，等.用于微机电系统运动检测的激光差动多普勒技术［J］.中国机械工程，2006，17（22）：2324-2325，2329.

(编辑：向飞)

Developmentand App lication of Dynam ic Testing Technology ofMEMS

ZHAGN Li-ping，LUQing-hua
（Mechanicaland Electrical Engineering College，Foshan University，Foshan528000，China）

Micro displacementand deformationsaremainlymeasured in dynamics testingwhich is very important in MEMS for themotion characteristic and function ofmicrostructure.Now MEMSdevelops very quickly，and dynamic testing technologymust keep up the pace. In the paper dynamic testing techniques of MEMS researched in home are summarized.Its application and testing range of various technologiesare analyzed.Resultsshow thatnoncontactoptic testing technique isgettingmore attention and the comprehensive testingwill be themain developmentdirection ofdynamic testing technology ofMicrostructure in MEMS.

microelectromechanicalsystems（MEMS）；dynamic testing；optic testing；comprehensive testing technology

TP271+.4 O348.3

A

1009－9492(2015)04－0057－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.04.015

*国家自然科学基金资助项目（编号：51105077）；广东省精密装备与制造技术重点实验室开放基金资助项目

2014－11－13

张立平，女，1979年生，河北石家庄人，博士，讲师。研究领域：机械系统动力学及振动噪声。已发表论文11篇。