专利名称：微机电系统的动态应力测试方法
技术领域：
本发明涉及微机电系统的动态特性测试方法，具体为微机电系统的动态应力测试方法。
背景技术：
微机电系统(MEMS)(如微声传感器、微谐振器等)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。由于它与传统机械系统相比具有可大批量生产、成本低、功耗小、易集成化等一系列显著的优点，近十年来得到了迅速的发展。随着MEMS从研究阶段逐渐步入产业化阶段，其对测试系统的需求越来越迫切，特别是对动态特性的测试技术更为迫切。这是因为MEMS的动态特性决定了MEMS器件的基本性能；MEMS微结构三维微运动情况、材料属性及机械力学参数、MEMS可靠性与器件失效模式、失效机理等关键问题均可通过MEMS动态测试技术加以解决；同时，通过动态测试技术，还可以研究一系列相关的基础理论问题，最终指导MEMS器件的结构优化设计，从而降低MEMS批量生产成本。与宏观机械结构一样，MEMS动态测试包括振动激励、振动测量和模态分析等三个基本环节。
MEMS本身的极微小尺寸(毫米级到微米级)和超高频(数万赫兹到数兆赫兹)低振幅(亚微米级到纳米级)振动响应决定了MEMS动态特性测试的困难性和复杂性。由于传统的压电、光弹、应变等接触式测量方法无法胜任测量，因而要求采用基于光学的非接触式无损测量。但基于光学的非接触式无损测量技术在涉及微机电系统的动态应力测试方面，尚无具体的实现方法。

发明内容
本发明解决现有技术尚无测试微机电系统动态应力测试方法的问题，提供一种新的微机电系统的动态应力测试方法，即基于拉曼光谱的非接触式无损测量微机电系统动态应力的方法。
拉曼原理是激光发出的连续激光波经介质镜、透镜照射于样品，样品对光除产生反射、吸收和透射之外，还将产生拉曼散射；散射光系统将散射光送入单色仪或光谱议，输出拉曼光谱，拉曼光谱中包含了样品成分，应力、应变，晶体结构和晶向以及晶体质量好坏等信息，经过分析拉曼光谱得出相应的样品信息。
通常拉曼光谱信息输入计算机，在相应软件支持下对拉曼光谱进行相应的模态分析，从而得出样品信息。
研究发现当材料受到应力时，其晶格结构就会产生变化，而采用拉曼光谱则可精确测量材料的晶格振动能量，由此来定量分析材料的应力。根据拉曼原理，连续的激光照射静态下的样品，样品上被测点处的散射光可容易地被采样到，当样品处于动态时，被测点(样品上的激光照射点)处于振动状态，如何在动态下准确采集被测点在某一振动相位下的散射光是采用拉曼原理测试动态应力所面临的难题。
本发明是采用如下技术方案实现的微机电系统的动态应力测试方法，包含激光照射动态样品(MEMS器件)、样品(对光除产生反射、吸收和透射之外)产生拉曼散射、(经单色仪或光谱仪)输出拉曼光谱、分析拉曼光谱的拉曼测试过程，将照射激光调制成与被测样品动态振动频率相同的激光脉冲。
将照射激光调制成与被测样品动态振动频率相同的激光脉冲，就使得激光照射与被测点某一相位的振动保持相对静止，确保连续、准确地采集到被测点振动到某一相位时的散射光，从而确定该被测点在该振动频率下的动态应力。通过对局域面积内的多个被测点的测试，可反映出该局域面积内的动态应力分布情况。
在保证拉曼光谱仪采集散射光的响应时间范围内，调制激光脉冲的脉宽应尽量的窄，使采集到的散射光尽可能地是被测点(周围)所散射的光，以提高被测点动态应力测试的精确度。
本发明首次将拉曼测试原理用于微机电系统动态应力的测试，并通过对激光的高频调制使拉曼测试用于微机电系统的动态应力测试成为现实，从而给出了一种基于拉曼光谱的非接触式无损测试微机电系统动态应力的方法，添补了微机电系统动态应力测试的空白。该方法可以实现MEMS器件微结构动态应力的实时、在线和无损检测。利用该方法所取得的技术指标，优化现有的国内MEMS加工平台的MEMS器件性能和加工工艺，提高业界在MEMS动态应力测试方面的检测水平，从而对MEMS器件的批量化生产和MEMS技术的产业化起促进作用。由于MEMS技术方兴未艾，其产业化的趋势越来越明显，因此该方法在MEMS测试领域内将具有无限的发展潜力和市场空间。
具体实施例方式
微机电系统的动态应力测试方法，包含激光照射样品(MEMS器件)、样品(对光除产生反射、吸收和透射之外)产生拉曼散射、(经单色仪或光谱仪)输出拉曼光谱、分析拉曼光谱的拉曼测试过程，将照射激光调制成与被测样品动态振动频率相同的激光脉冲。
测试时，MEMS器件是通过外加激励信号的驱动来产生动态振动的，如微声传感器的外加激励信号为声波信号，微谐振器的外加激励信号为电信号，MEMS器件的动态振动频率与外加激励信号的频率相同；因此，照射激光也可用外加激励信号的频率进行调制，即将照射激光调制成与被测样品的外加激励信号频率相同的激光脉冲。
现有的拉曼光谱仪可用于实现本发明所述的方法。现有的拉曼光谱仪需配置激光调制器，拉曼光谱仪发出的激光经激光调制器调制成与被测样品动态振动频率(或被测样品的外加激励信号频率)相同的激光脉冲，照射到被测样品上，散射光进入拉曼光谱仪，将其转换为具有光谱频移的动态拉曼光谱图，利用MEMS器件静态和动态时的光谱频移差即可定量计算和分析动态应力的大小；通过拉曼光谱仪内的高速数码相机可将采集的动态拉曼光谱图转换、输入计算机进行可视和分析。
调制后的激光脉冲频率与被测样品动态振动频率(或被测样品的外加激励信号频率)相同，但两者的相位关系是随机的，因此，所采集到的散射光是被测点任一相位时的散射光。在实际测试时，有时需要准确地测试被测点某一确定相位下的动态应力，此时，就需要对调制激光脉冲的相位进行控制。将外加激励信号同时施加于锁相环(一种公知的测量周期交变信号的起始相位并能调节其起始相位的装置)，锁相环捕捉到外加激励信号的起始相位(φ0)信息，然后调节锁相环，使锁相环的相位输出信息在外加激励信号的起始相位φ0的基础上得到改变(即得到φ0±φ1)，调整后的锁相环相位(φ0±φ1)输出信息施加于激光调制器上，使调制激光脉冲的起始相位与锁相环调整后的输出相位信息一致，使调制激光脉冲与样品的振动相位产生一确定的相位差(φ1)，以此来准确测试被测点的某一确定相位(φ0±φ1)下的动态应力，从而实现被测点在不同相位下动态应力测试的准确控制。
权利要求
1.一种微机电系统的动态应力测试方法，包含激光照射样品、样品产生拉曼散射、输出拉曼光谱、分析拉曼光谱的拉曼测试过程，其特征为将照射激光调制成与被测样品动态振动频率相同的激光脉冲。
2.如权利要求1所述的微机电系统的动态应力测试方法，其特征为将照射激光调制成与被测样品的外加激励信号频率相同的激光脉冲。
3.如权利要求1或2所述的微机电系统的动态应力测试方法，其特征为将外加激励信号同时施加于锁相环，锁相环捕捉到外加激励信号的起始相位信息，然后调节锁相环，使锁相环的相位输出信息在外加激励信号的起始相位的基础上得到改变，调整后的锁相环相位输出信息施加于激光调制器上，使调制激光脉冲的起始相位与锁相环调整后的输出相位信息一致，使调制激光脉冲与样品的振动相位产生一确定的相位差。
全文摘要
本发明涉及微机电系统的动态特性测试方法，具体为微机电系统的动态应力测试方法。本发明解决现有技术尚无测试微机电系统动态应力测试方法的问题。该方法包含激光照射动态样品、样品产生拉曼散射、输出拉曼光谱、分析拉曼光谱的拉曼测试过程，将照射激光调制成与被测样品动态振动频率相同的激光脉冲。本发明首次将拉曼测试原理用于微机电系统动态应力的测试，并通过对激光的高频调制使拉曼测试用于微机电系统的动态应力测试成为现实，从而给出了一种基于拉曼光谱的非接触式无损测试微机电系统动态应力的方法，添补了微机电系统动态应力测试的空白。
文档编号G01N21/63GK1673723SQ20051001246
公开日2005年9月28日 申请日期2005年4月18日 优先权日2005年4月18日
发明者张文栋, 熊继军, 薛晨阳, 张斌珍, 桑胜波 申请人:中北大学