一种MEMS微结构谐振频率的测试技术

　　MEMS 动态测试对MEMS 器件的使用及产业化方面都有着很重要的意义[ 1] . MEMS 器件由于其尺寸小, 其结构尺寸通常是Lm 到mm, 目前常规的动态测试方法已经很难满足要求; 而MEMS 常用的硅材料弹性模量大的特点, 因此其固有频率较高( 几十kHz 到数百kHz) , 这就要求相应的激励装置与信号采集装置必须有比其高的带宽, 这也对目前常规的动态测试装置提出了新的挑战. 而目前常用的动态测试方法与测试装置普遍存在着设备成本高、测试方法繁琐等特点, 制约了其发展[ 2-3] .

　　本文建立了一种简单的动态测试装置, 以压电陶瓷作为激励源, 采用基座激励的方式实现对安装在基座上的微结构的冲击激励, 以压电微悬臂梁自身的输出作为被测信号. 一次在基座上安装两种不同结构尺寸的微结构, 通过三次不同的引线连接方式, 分别测试两种结构的冲击响应输出及两种结构的联合冲击响应输出, 通过FFT 分析比较三次不同的测试结果, 通过比对测试频谱分析结果, 确定微结构的固有频率. 该方法具有测试装置简单、通用性强、成本低的特点.

　　1 冲击测试实验装置

　　目前常用的微结构动态测试技术中的激励方式常采用扫频激励, 但微结构的尺寸小、材料弹性模量大, 因此其固有频率均较高, 这就需要扫频激励装置有比其更高的频率范围. 压电陶瓷作为一种新型的激励源, 具有频率高、结构小的特点, 正在被越来越多的应用与微结构的动态测试中. 但压电陶瓷是容性负载器件, 当其工作在高频状态时, 其对驱动电源的要求很高----高频、高压及大电流, 而相应的压电陶瓷驱动电源的问题尚没有很好的解决, 这就限制了压电陶瓷作为扫频激励源的应用.

　　冲击激励作为另外一种动态激励方式也被广泛应用[ 4] , 而压电陶瓷具有很快的响应, 因此将其作为冲击激励源应用在微结构动态测试领域, 也是一种较为理想的方案. 由动态测试理论可知, 如果对微结构冲击作用的时间足够短, 微结构实际上是受到作用力P 的冲量的作用----冲击脉冲的作用. 通过频谱分析可以看出, 一个冲击脉冲包括了从零到无限大的所有频率的能量, 并且它的频谱是连续的----但是, 只有在与微结构的固有频率相同时, 相应的频率分量才对此微结构起作用, 它将激励微结构以其自身的低阶固有频率作自由振动.

　　为了完成微悬臂梁的冲击实验, 设计了动态特性测试实验系统, 装置框图如图1 所示. 由工业计算机控制多功能数据采集卡开启开关电路, 进而控制直流电源对压电陶瓷快速充电, 压电陶瓷受到瞬时高电压的驱动产生冲击力. 压电悬臂梁固定在压电陶瓷上, 压电悬臂梁在瞬时冲击力的作用下开始振动, 此时在悬臂梁的压电层产生电荷. 由于压电悬臂梁电荷量的产生与其自身的弯曲变形挠度相关, 因此电荷量信号可以表示当前微压电悬臂梁的变形程度, 基于BIST ( Build-In Self-Test , 内置自测试) 技术, 可以将微悬臂压电梁的电荷量输出作为测试中的动态被测信号[ 5] . 由于实验中使用的压电悬臂梁主要是用于微力测量, 其输出电荷量只有几十皮库大小, 因此需要利用电荷放大器将电荷量信号转换为范围0-100 mV 之间的电压信号. 电荷放大器的最高工作频率为100 kHz, 灵敏度为1 mV/ pC. 多功能卡采集压电悬臂梁振动过程中的电压输出信号,对所获的压电悬臂梁的冲击响应信号进行FFT 频谱分析处理后, 分析其频谱图即可得出压电悬臂梁的动态特性[ 6] .