在振动等机械应力环境下，电子元器件和电子设备是否能可靠工作是电子产品制造商和用户非常关心的问题，尤其对汽车、飞机以及其他可能会在振动环境下工作的电子设备来说更是特别重要。而元器件和设备是否能耐受振动及其他机械应力，既和振动等机械环境应力的强弱有关，也与其自身的振动响应特性和抗机械应力的能力有关。因此，要解决元器件和设备的抗振及其他机械应力的可靠性问题，首先要能检测和评价其机械应力响应特性和抗振能力。

以工信部电子五所为依托单位的“电子元器件可靠性物理及其应用技术国家级重点实验室”，是开展电子元器件可靠性研究和技术研发的专业实验室。在电子元器件以及电子设备的抗振可靠性方面开展了诸多科研和技术服务工作，同时也建立了完善的测试与评估能力。从今天开始，小编就将分三次为大家做个介绍，希望能对大家有所帮助。

系列之一：可动微结构振动特性测试平台及其在MEMS领域中的应用

如今，MEMS技术已广泛应用在航空、航天、国防及国民经济的各个领域。MEMS器件，如微型传感器或执行器，已成为消费电子、汽车、飞机、医疗设备和仪器的基本元器件。MEMS器件在环境激励下的振动特性测试数据对于新型产品的研制以及成熟产品的标定和质量管控至关重要。动态运动分析及可视化对MEMS器件等微型结构的测试和研发非常关键，这对于验证有限元算法、确定串扰效应和测量表面形变是必不可少的。

但由于MEMS内部可动结构尺寸在微米量级，非常小，常规的振动测试手段根本无法得到其振动特性。而实验室长期开展电子元器件振动可靠性及特性测试分析工作，建立了国内唯一的带真空高低温环境的可动微结构振动特性测试平台。该平台集真空/高低温环境模拟、显微振动测试系统和双探针台于一体（图1），可实现MEMS微结构在复杂环境下的面外振动、面内振动以及表面形貌测量，提供精确的三维动态和静态响应数据，为MEMS产品研制单位在降低开发和制造成本的同时提高产品性能，从而缩短设计周期，简化故障处理，提高产品产量。

图1带真空高低温环境的可动微结构振动特性测试平台 

（一）基本原理

作为可动微结构振动特性测试平台的核心部件，显微测振系统是基于激光测振原理，利用激光多普勒技术，非接触式地测量样品表面振动速度。仪器发出一束波长的激光，照到振动物体表面，反射回来的激光频率发生变化（即多普勒频移），该频移量与物体的运动速度v成正比，，测出多普勒频移。该调频信号经过信号解调，可以得到振动速度随时间的波形。目前的激光测振仪可以采用直接或间接的办法得到物理测试表面的振动速度信号，通过积分或微分可以得到相应的位移或加速度振动信号。显微激光测振系统是专门针对含有微小可动结构的器件（如MEMS器件）开发的，其通过集成显微镜及激光测振系统实现对微小可动结构的测试，设备和原理图如图2所示。

（a）显微激光测振系统                                       （b）激光测振原理示意图  

图2显微激光测振系统及测试原理

（二）技术参数及应用领域

1.技术参数

2.功能特点

·微型结构的面外振动测试：梳齿驱动器、射频MEMS开关、FEM有限元模型验证、CMUT、PMUT超声 换能器、MEMS薄膜压力传感器、PZT压电悬臂梁等

·微型结构的面内振动测试：梳齿驱动器、MEMS扭转激振器、压电陶瓷制动器的横向运动

·微型结构的表面形貌提取：梳齿驱动器、微型齿轮、微流量传感器、悬臂梁等表面形貌

3.应用领域

·微机电系统（MEMS）动态测试，如微型陀螺仪振动测量

·元器件内微结构动态测试，如键合丝、弦线等振动特性测量

·生命科学、医学、动物学研究，如昆虫等生物的活体的振动特性测量……

（三）应用示例：精密测量MEMS梳齿微结构平面内的振动特性

我们基于建立的带真空高低温环境的可动微结构振动特性测试平台对MEMS梳齿微结构的面内振动特性进行了测量，包括振幅、振型、频率等振动参数。被测的MEMS结构如图3所示，对样品局部进行显微激光测振，如图4所示。

图3MEMS梳齿微结构

图4 被测的MEMS器件微结构（图中网格状为模态试验测点布置）

振动测试方法采用主动激励的方式，激励信号由粘在MEMS芯片底座上的压电陶瓷片来提供。主动激励的信号由系统内置信号发生器产生并传输至压电陶瓷片，同时该信号可用作相位参考。

采用主动激励方式的所有测点平均频谱图如图5所示。选取主动激励频谱图中一个最为明显的共振峰。由于有相位参考，所有测点的相对相位已知，从而得出振型动画。观察振型动画可选出振幅最大的点，并显示其频谱。图6显示的是自激励可动微结构在11.526 kHz和25.702kHz时振型。

图5 所有测点的平均频谱图

(a) 11.526 kHz

    (b)25.702kHz

图6 MEMS可动微结构在11.526kHz和25.702kHz时的振型

（四）总结

本实验室搭建的可动微结构振动特性测试平台，测量速度快，实时显示测量数据，位移分辨率达亚pm级。在现场环境(室内)条件下，能精确测量出微弱的振动特性。基于频闪法的面内振动测量模块，能直观生动地显示结构面内振动特性。基于白光干涉原理的形貌测量模块，可在几秒钟内提供数以百万计的结构三维表面数据。

同时，配备的真空及高低温环境腔，还可以在不同环境应力下对MEMS以及其他元器件内部的轻质微型结构进行振动特性测试和分析。因此，该系统可以成为在实验室或生产中进行微观结构振动分析的首选工具。