高温环境下基于激波的MEMS微结构模态测试方法研究

Modal testing technique of wafer-level MEMS microstructure is an important driving force for MEMS industrialization. Especially, studying on the dynamic characteristics of MEMS microstucture under the high temperature environment can evaluate the stability and reliability of the device,improve the production process, and reduce development costs and development time.Through the study of the basic principles and implementation method for the shock wave excitaiton method,the difficult problem excitating the microstucure under the high temperature environment can be solved. The excitation capabilities can be improved by studying the relationship between the discharging circuit parameters and the shock excitaiton bandwidth. Using the impact base excitation device based on the shock wave to bulid the MEMS modal testing system under the high temperature environment,the dyanmic characteristics of microstructure can be studied to provide the basis for the production of MEMS microstructure.

晶圆级MEMS的模态测试技术是MEMS产品化的重要推动力，特别是针对高温环境下MEMS微结构动态特性进行研究，可以对器件的稳定性和可靠性进行评估，改进制作工艺，并降低研发成本、减少开发时间。通过对基于激波的微结构激励方法的基本原理和基本实现方法的研究，可以解决目前在高温环境下对MEMS微结构进行激励的难题；通过研究放电回路参数对激波激励带宽的影响，可提高激励装置的激振能力；利用基于激波的冲击底座激励装置，搭建高温环境下MEMS模态测试系统，研究高温环境下微结构动态特性随温度的变化规律，为微结构的制作提供依据。

随着MEMS器件应用领域的不断拓展，高温环境下MEMS微结构的动态特性和动态测试技术引起越来越广泛的关注。MEMS的动态测试技术主要包括振动检测技术和激励方法两部分，现有的激励方法无法满足在高温环境下对MEMS微结构进行动态特性测试的需求。为了解决上述问题，研究了基于激波的冲击底座激励方法的基本原理和具体实现方式，分析了激波激励带宽的主要影响因素，建立了放电回路参数和激波激励带宽之间的数学模型；研制了基于激波的MEMS微结构底座激励装置，搭建了MEMS微结构模态测试系统；测试了单晶硅微悬臂梁和压阻硅微悬臂梁的动态特性，研究了典型微结构模态参数的获取方法；研制了可加载高温环境的基于激波的MEMS微结构底座激励装置，搭建了高温环境MEMS典型微结构模态测试系统；测试了矩形单晶硅微悬臂梁、T型单晶硅微悬臂梁在室温~500˚C的高温环境下的动态特性，研究了典型微结构模态参数随温度的变化规律，实验结果表明：矩形单晶硅微悬臂梁和T型单晶硅微悬臂梁具有几乎相同的频率温度系数，约为–2.46E-5K−1；建立了典型微结构固有频率随温度变化的数学模型；研究了以金属微结构作为放电电极的非接触式激波激励方法，研制了基于激波的金属微结构非接触式激励装置，搭建了MEMS微结构模态测试系统，测试了不同材料的金属微结构动态特性；研究了通过激波聚焦的方式对微结构进行非接触式激励的方法，研制了基于聚焦激波的MEMS微结构非接触式激励装置，搭建了MEMS微结构模态测试系统，测试了不同材料的微结构动态特性。通过将激波这种物理作用引入到MEMS微结构的激励当中，并分别提出和研究基于激波的微结构底座激励方法、基于激波的金属微结构非接触式激励方法和基于聚焦激波的微结构非接触式激励方法，解决了在高温环境下对MEMS微结构进行激励的难题，以及室温环境下对MEMS微结构进行非接触式激励的难题。