MEMS力学特性测试及可靠性分析中若干关键问题的研究

论文摘要

MEMS力学特性测试及可靠性分析在MEMS的研发和产业化过程中具有极为重要的意义,而力学特性测试又是进行可靠性分析的基础。本论文在调研和分析了MEMS力学特性测试技术及可靠性测试技术研究现状的基础上,对应用相移显微干涉法测试分析MEMS力学特性参数以及在所得参数的基础上对微结构在振动和冲击环境下的可靠性展开研究,主要完成了以下几个方面的工作:1、从方法的类别、应用领域、研究现状和发展趋势等方面系统地调研了MEMS力学特性测试技术及可靠性分析技术的概况,分析和讨论了MEMS力学特性测试及可靠性分析的重要性。2、针对相移显微干涉技术在微结构表面轮廓测量中传统相位解包裹方法的局限性,提出了一种基于模板的广度优先搜索解包裹算法,在相位解包裹的过程中,以由三种不同方法获得的模板图像作为参考,绕过标记出来的非相容区域进行相位展开,从而得到连续而准确的被测表面轮廓。3、针对相移显微干涉法在微结构表面轮廓测量中存在的倾斜误差,提出了一种基于最小二乘法确定调平基准面及坐标旋转重构表面轮廓信息的方法调平被测表面,获得其相对于基准面的表面高度,从而实现了倾斜误差的补偿。4、提出了一种基于相移显微干涉法测量表面轮廓及有限差分法建模的MEMS力学特性分析方法,以未加载电压的微悬臂梁及施加了静电载荷的微悬臂梁作为测试对象,应用相移显微干涉法测量微悬臂梁的表面弯曲量,并应用有限差分法建模解析弯曲量与力学特性值之间的关系,将弯曲量的测量值与模拟值进行比较来提取特性参数值,实现了对微薄膜杨氏模量及残余应力梯度的测量。5、在所测得的力学特性参数的基础上,应用有限元分析软件对表面微加工工艺制备的碳化硅微悬臂梁在振动和冲击载荷下的响应与载荷信号的振幅、频率以及作用时间等参数之间的关系及变化规律进行了仿真分析,并用碳化硅微悬臂梁阵列作为测试样品,以标准的振动试验系统和冲击试验系统为实验平台,设计了一系列振动实验和冲击实验,从微悬臂梁在特定振动和冲击载荷下的失效情况分析了结构的抗振动和抗冲击能力。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 微机电系统测试技术
• 1.2 微机电系统力学特性测试技术的研究现状
• 1.2.1 纳米硬度法
• 1.2.2 弯曲法
• 1.2.3 拉伸法
• 1.2.4 旋转法
• 1.2.5 扭转法
• 1.3 微机电系统可靠性测试技术的研究现状
• 1.3.1 MEMS 器件的失效模式及机理
• 1.3.2 MEMS 器件的环境测试
• 1.3.3 MEMS 可靠性分析中的模拟仿真方法
• 1.4 课题的选题背景及主要工作
• 第二章 基于相移显微干涉的MEMS 器件表面轮廓测量
• 2.1 基于相移显微干涉的表面轮廓测量
• 2.1.1 相移干涉法测量表面轮廓的基本原理
• 2.1.2 相移干涉法测量表面轮廓的实验系统
• 2.2 相位解包裹方法的研究
• 2.2.1 相位解包裹的原理
• 2.2.2 常用的相位解包裹方法
• 2.2.3 基于模板的相位解包裹方法
• 2.3 表面轮廓测量中倾斜误差的补偿方法
• 2.3.1 倾斜误差补偿的必要性
• 2.3.2 调平基准面的确定
• 2.3.3 三维轮廓信息的重构
• 2.4 本章小结
• 第三章 基于有限差分和弯曲量测量的MEMS 器件力学特性测试
• 3.1 测试原理
• 3.2 有限差分法的应用
• 3.2.1 有限差分法
• 3.2.2 未加载的微悬臂梁的有限差分分析
• 3.2.3 静电加载的微悬臂梁的有限差分分析
• 3.3 微梁的弯曲量测量及力学特性参数的提取
• 3.4 拟牛顿最优化法的应用
• 3.5 本章小结
• 第四章 MEMS 器件力学特性测试实验及结果分析
• 4.1 测试样品的加工制备
• 4.2 探针台的设计
• 4.3 光学系统的标定
• 4.4 测试实验及结果
• 4.4.1 实验步骤
• 4.4.2 曲率的测量结果
• 4.4.3 杨氏模量的测量结果
• 4.4.4 应力梯度的测量结果
• 4.5 实验结果分析与讨论
• 4.6 本章小结
• 第五章 MEMS 器件的振动和冲击理论及其仿真分析
• 5.1 微悬臂梁的振动理论分析
• 5.1.1 微悬臂梁的横向振动方程
• 5.1.2 微悬臂梁的自振频率和振型
• 5.1.3 振型的正交性
• 5.1.4 基于模态叠加法的微悬臂梁振动响应
• 5.1.5 微悬臂梁的冲击响应
• 5.2 微悬臂梁的振动冲击仿真
• 5.2.1 微悬臂梁的模态分析结果
• 5.2.2 微悬臂梁的谐响应分析结果
• 5.2.3 微悬臂梁的瞬态动力学分析结果
• 5.3 本章小结
• 第六章 MEMS 器件的振动与冲击测试实验及结果分析
• 6.1 微悬臂梁的振动测试
• 6.1.1 振动测试的方法及装置
• 6.1.2 振动测试的结果及分析
• 6.2 微悬臂梁的冲击测试
• 6.2.1 冲击测试的方法及装置
• 6.2.2 冲击测试的结果及分析
• 6.3 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 论文完成的主要工作
• 7.2 论文的创新点
• 7.3 工作展望
• 参考文献
• 发表论文和申请的专利
• 致谢