在振動等機械應力環境下，電子元器件和電子設備是否能可靠工作是電子產品制造商和用戶非常關心的問題，尤其對汽車、飛機以及其他可能會在振動環境下工作的電子設備來說更是特別重要。而元器件和設備是否能耐受振動及其他機械應力，既和振動等機械環境應力的強弱有關，也與其自身的振動響應特性和抗機械應力的能力有關。因此，要解決元器件和設備的抗振及其他機械應力的可靠性問題，首先要能檢測和評價其機械應力響應特性和抗振能力。

以工信部電子五所為依托單位的“電子元器件可靠性物理及其應用技術國家級重點實驗室”，是開展電子元器件可靠性研究和技術研發的專業實驗室。在電子元器件以及電子設備的抗振可靠性方面開展了諸多科研和技術服務工作，同時也建立了完善的測試與評估能力。從今天開始，小編就將分三次為大家做個介紹，希望能對大家有所幫助。

系列之一：可動微結構振動特性測試平臺及其在MEMS領域中的應用

如今，MEMS技術已廣泛應用在航空、航天、國防及國民經濟的各個領域。MEMS器件，如微型傳感器或執行器，已成為消費電子、汽車、飛機、醫療設備和儀器的基本元器件。MEMS器件在環境激勵下的振動特性測試數據對于新型產品的研制以及成熟產品的標定和質量管控至關重要。動態運動分析及可視化對MEMS器件等微型結構的測試和研發非常關鍵，這對于驗證有限元算法、確定串擾效應和測量表面形變是必不可少的。

但由于MEMS內部可動結構尺寸在微米量級，非常小，常規的振動測試手段根本無法得到其振動特性。而實驗室長期開展電子元器件振動可靠性及特性測試分析工作，建立了國內唯一的帶真空高低溫環境的可動微結構振動特性測試平臺。該平臺集真空/高低溫環境模擬、顯微振動測試系統和雙探針臺于一體（圖1），可實現MEMS微結構在復雜環境下的面外振動、面內振動以及表面形貌測量，提供精確的三維動態和靜態響應數據，為MEMS產品研制單位在降低開發和制造成本的同時提高產品性能，從而縮短設計周期，簡化故障處理，提高產品產量。

圖1帶真空高低溫環境的可動微結構振動特性測試平臺 

（一）基本原理

作為可動微結構振動特性測試平臺的核心部件，顯微測振系統是基于激光測振原理，利用激光多普勒技術，非接觸式地測量樣品表面振動速度。儀器發出一束波長的激光，照到振動物體表面，反射回來的激光頻率發生變化（即多普勒頻移），該頻移量與物體的運動速度v成正比，，測出多普勒頻移。該調頻信號經過信號解調，可以得到振動速度隨時間的波形。目前的激光測振儀可以采用直接或間接的辦法得到物理測試表面的振動速度信號，通過積分或微分可以得到相應的位移或加速度振動信號。顯微激光測振系統是專門針對含有微小可動結構的器件（如MEMS器件）開發的，其通過集成顯微鏡及激光測振系統實現對微小可動結構的測試，設備和原理圖如圖2所示。

（a）顯微激光測振系統                                       （b）激光測振原理示意圖  

圖2顯微激光測振系統及測試原理

（二）技術參數及應用領域

1.技術參數

2.功能特點

·微型結構的面外振動測試：梳齒驅動器、射頻MEMS開關、FEM有限元模型驗證、CMUT、PMUT超聲 換能器、MEMS薄膜壓力傳感器、PZT壓電懸臂梁等

·微型結構的面內振動測試：梳齒驅動器、MEMS扭轉激振器、壓電陶瓷制動器的橫向運動

·微型結構的表面形貌提取：梳齒驅動器、微型齒輪、微流量傳感器、懸臂梁等表面形貌

3.應用領域

·微機電系統（MEMS）動態測試，如微型陀螺儀振動測量

·元器件內微結構動態測試，如鍵合絲、弦線等振動特性測量

·生命科學、醫學、動物學研究，如昆蟲等生物的活體的振動特性測量……

（三）應用示例：精密測量MEMS梳齒微結構平面內的振動特性

我們基于建立的帶真空高低溫環境的可動微結構振動特性測試平臺對MEMS梳齒微結構的面內振動特性進行了測量，包括振幅、振型、頻率等振動參數。被測的MEMS結構如圖3所示，對樣品局部進行顯微激光測振，如圖4所示。

圖3MEMS梳齒微結構

圖4 被測的MEMS器件微結構（圖中網格狀為模態試驗測點布置）

振動測試方法采用主動激勵的方式，激勵信號由粘在MEMS芯片底座上的壓電陶瓷片來提供。主動激勵的信號由系統內置信號發生器產生并傳輸至壓電陶瓷片，同時該信號可用作相位參考。

采用主動激勵方式的所有測點平均頻譜圖如圖5所示。選取主動激勵頻譜圖中一個最為明顯的共振峰。由于有相位參考，所有測點的相對相位已知，從而得出振型動畫。觀察振型動畫可選出振幅最大的點，并顯示其頻譜。圖6顯示的是自激勵可動微結構在11.526 kHz和25.702kHz時振型。

圖5 所有測點的平均頻譜圖

(a) 11.526 kHz

    (b)25.702kHz

圖6 MEMS可動微結構在11.526kHz和25.702kHz時的振型

（四）總結

本實驗室搭建的可動微結構振動特性測試平臺，測量速度快，實時顯示測量數據，位移分辨率達亞pm級。在現場環境(室內)條件下，能精確測量出微弱的振動特性。基于頻閃法的面內振動測量模塊，能直觀生動地顯示結構面內振動特性。基于白光干涉原理的形貌測量模塊，可在幾秒鐘內提供數以百萬計的結構三維表面數據。

同時，配備的真空及高低溫環境腔，還可以在不同環境應力下對MEMS以及其他元器件內部的輕質微型結構進行振動特性測試和分析。因此，該系統可以成為在實驗室或生產中進行微觀結構振動分析的首選工具。