MEMS微结构静态测试技术的发展及应用

张立平，卢清华

（佛山科学技术学院机电工程系，广东佛山528000）

MEMS微结构静态测试技术的发展及应用

张立平，卢清华

（佛山科学技术学院机电工程系，广东佛山528000）

对国内外众多学者提出的各种微几何量和微机械量的静态测试技术进行了总结，并讨论了其应用场合和测试范围，在此基础上分析得出非接触式光学测试方法受到众学者的青睐，微视觉测量是MEMS静态测试技术的一个主要发展方向。

MEMS；静态测试；微几何；微机械；微视觉测量

当今微/纳制造技术广泛应用于汽车、新能源、柔性电子、光电子、MEMS/NEMS（微/纳机电系统）以及生物医疗等领域。MEMS是微纳技术研究的重要方向之一，它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。MEMS微结构的静态形貌和运动测试是微机电系统研究的基础，也是微纳技术研究的重要内容，微机电系统的设计、加工以及可靠性等都离不开MEMS微结构测试技术。通常MEMS器件的整体尺寸在几个毫米，其关键部件的尺寸在亚毫米至亚微米范围［1］。大多数MEMS器件的一些关键参数可以被静态测量，如表面形状、粗糙度、特有结构的相对高度和位置以及材料特性和机械力学参数等，这些参数都属于微几何量和微机械量的范畴［2］，微结构几何精度是确保其功能特性和器件互换性的基础。MEMS微结构的三维运动特征、可靠性与失效机理等关键的测试问题基本上都可以通过MEMS微结构几何量和机械量测试技术直接或间接地解决，因此MEMS几何量和机械量测试技术是MEMS微结构测试领域中的重要基础之一。

本文对MEMS微结构静态测试技术的发展及应及进行探讨。

1 微几何量的测试

MEMS系统中大部分是三维微细结构，其部件缩小到显微尺寸，器件上每一个结构相对于其他结构的三维位置必须计算测量出来，以保证实现正确的功能。因此测试其结构和形貌的精度应在(亚)微米甚至纳米量级，这就要求采用高精度的测试技术与设备。MEMS微几何量测试技术常用的方法一般分为接触式和非接触式两大类。

1.1 接触式测量

目前接触式测量有两种，一种是机械触针式轮廓仪，用于对表面轮廓、表面粗糙度的测量，常用的有电感式、压电式和光电式等，是一种传统的表面形貌测量方法，其测量范围大，精度高，但在应用过程中要么易损伤被测件的表面，要么需要配套的高精度调焦系统，且测量费时，其应用领域比较窄，在MEMS的测量中较少应用。另一种是扫描探针显微镜，这种微结构表面测量仪器分辨率可达原子水平［3］，样品准备简单，功能较多，各国学者对其探针与样品表面的相互作用进行了研究，产生了扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM）两种形式，显微镜在微电子领域、MEMS领域有着重要的应用。但其设备昂贵，测量条件苛刻，若成批量采用测试费用极高，因此不能作为MEMS微结构测量的专门设备。

1.2 非接触式测量

随着计算机技术、光学技术以及其他相关技术的发展，非接触测量方法已经在MEMS测试领域得到了广泛应用，而且其测量精度不断提高，有些测量方法已经达到纳米甚至亚纳米级的精度。目前，非接触式测量其主要的方法有投影光栅法、光学轮廓仪、干涉显微法、扫描电子显微镜、激光力显微镜等。

1.2.1 投影光栅法

投影光栅法是早期的一种测量方法，它通过测量周期性光栅投影到样品表面返回的相位信息来提取样品表面高度轮廓或三维轮廓。代表性的方法有莫尔条纹调解法、变形光栅傅里叶变换和多幅变形光栅相位调解法等测量样品的三维轮廓。

1.2.2 光学轮廓仪

光学轮廓仪又分为光学探针轮廓仪和普通光学轮廓仪，通过光纤扫描，实现结构表面形貌的测量。其结构简单，操作简便，使用环境相对宽松，适用于工业现场应用，但其测量精度相对较低。美国Veeco公司使用自行研发的触针轮廓仪、原子力显微镜和光学轮廓仪对MEMS器件进行了三维计量和分析［4］。美国Zygo公司制造的New Vew5000系列光学轮廓仪被广泛应用于面形检测［5］。

1.2.3 干涉显微法

干涉显微法是MEMS结构测量的主要方法之一，通过在干涉仪上增加显微放大视觉系统，使之能够完成微纳结构的三维表面形貌测量，它适宜于测量结构单元尺寸在微米量级，表面尺寸在毫米或亚毫米量级的微结构。

近些年有很多学者将干涉显微测量用于微结构的测量，世界上已有十多家公司利用显微干涉技术的光学轮廓仪对MEMS器件的几何特性进行测量。R Groβ等［6］采用白光干涉测量了结构的表面粗糙度；Emilia等［7］应用白光干涉测量系统对生物材料Hydroxyapatite层的厚度进行了测量，取得了较好测量效果；Groot等［8］开创了干涉显微测量用于薄膜测量的先河。张红霞［9］等对微表面三维形貌相移干涉检测方法进行了研究；郭彤［10］等将显微干涉测量系统用于MEMS微结构的测量，后又提出利用白光干涉的彩色图像测量微结构表面形貌的新方法［11］；刘铁根、孙杰［12］等对白光干涉测量的方法和精度进行了研究；史铁林、王海珊等［13］等对干涉显微法原理和算法进行了研究，开发了新型三维测量系统。

近些年来，许多研究者致力于干涉显微测量的速度和精度的研究。继20世纪90年代一些学者的研究后，M Adachi等提出高速精密表面光学测量方法［14］，该方法在一定程度上提高了显微干涉技术测量MEMS器件几何特性的测量速度。德国PTB的J W G Tyrrell等人将干涉显微物镜和扫描探针显微镜结合起来用于物体表面形貌的测量，有效地提高了干涉显微测量的水平分辨力［15］。蒋向前、胡凯等开展了MEMS微结构几何特征的提取技术，对MEMS器件表面微结构可进行快速检测［16］。光学测量方法避免了对器件被测表面的损伤，但是其测量结果受测试环境干扰，器件表面的结构、洁净度等都会影响测试结果。

1.2.4 计算机微视觉测量

随着测量技术的发展，将计算机视觉技术与光学显微技术相结合的微视觉测量方法越来越受到重视。J Dgeriekc等人利用相移莫尔条纹的方法测量曲面的微小变形［17］；S Wblning等人采用共路相移干涉术测量MEMS的三维结构［18］；X W Wang等人利用图像测量的方法得到MEMS器件几何尺寸的深度信息［19］，绝对精度达2 μm，还可以测量平面尺寸，其相对误差小于2％，可重复精度高于0.01 nm。

除此之外，近些年有学者研究了三坐标测量仪，并用于MEMS微结构的几何测试［20-21］，但其应用范围很窄，没有得到普遍应用。

2 机械力学特性参数的测量

目前，MEMS技术表现为多学科前沿高度综合、交叉和渗透，应用领域非常广阔。因此，对不同工况下的材料特性和机械力学特性参数进行测量显得极为迫切。MEMS器件机械力学特性参数的测量要求使用微探头，对测试环境有较高的要求，故测试具有一定的难度。

从20世纪末开始美国各科研机构相关学者陆续开展MEMS机械力学特性测量方法和装置的研究。Sandia国家实验室是MEMS机械力学特性参数测量这一新兴领域的一个先驱，自行研制了一套MEMS器件可靠性测试系统ShiMMeR。该系统通过对测试环境的控制，一次可试验256个MEMS器件，位移分辨力高于10 nm，可以测量微梁或膜的应变梯度、弯曲模量、残余应力，研究其断裂特性、静电粘着、湿度粘着、摩擦等［22］。随后NIST的D T Raed利用散斑干涉术测量了薄膜材料的杨氏模量［23］；H D Espinosa等人利用Mirua显微干涉仪测量薄膜和MEMS材料的机械力学属性［24］，L A Starmna Jr利用拉曼光谱技术进行MEMS微桥的应力表征［25］。

从21世纪开始其他一些国家和学者陆续开展相关的研究，W Osten等人尝试利用数字全息干涉技术对微器件的材料参数和三维表面形貌领域进行了测量［26］；M W Dnehoff利用表面轮廓仪测量MEMS微桥的杨氏模量和残余应力参数［27］；C Quan等人采用光学干涉的方法测量MEMS器件的变形，从而计算它的机械力学特性［28］；Janet C等提出了一种基于激光干涉技术测量MEMS工作过程中膜厚的方法［29］；M.A.Haque等借助于MEMS执行器对微结构的材料进行了测试［30］；Takahiro等利用原子力显微镜，通过弯曲实验测量了单晶硅的机械力学特性［31］；李昕欣和王跃林等人研制出基于原子力显微镜的微纳力学测试设备，并应用该设备对系统光路法、力-位移曲线杠杆法和摩擦环斜率法等微悬臂梁横向力标定方法进行了比较研究［32］；张文栋等人应用拉曼光谱频移技术，得到了微悬臂梁应力分布的一些规律［33］；蒋庄德等人将模糊数学方法引入弹性模量的评价过程，建立了基于模糊集的微构件弹性模量评价模型［34］；北京航空航天大学的兰天宝利用微拉曼光谱法对硅片的残余应力进行了测试［35］；郁昌玲利用相移显微干涉法，借助于stoilov算法对薄膜的应力梯度进行了研究［36］等。

这些测试设备和方法为不同的MEMS器件的多种机械力学性能参数的测试和研究提供了依据。

3 小结

本文对MEMS微结构静态测试技术进行了总结分析，发现早期对于MEMS微结构主要是采用轮廓仪、光学方法、显微镜、MEMS执行器等设备和技术等来测量其微观尺度及机械力学特性。随着MEMS技术和测量技术的发展，当前将计算机视觉技术与光学显微技术相结合的微视觉测量方法越来越受到重视，并逐渐被用于微结构的静态测量。本文还对各种测试技术的应用场合和测试范围进行了系统总结，可为其应用提供参考依据。

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【责任编辑：任小平renxp90@163.com】

Static testing technology of microstructure in micro electro mechanical systems

ZHAGNLi-ping,LUQing-hua

（Department ofMechatronics Engineering,Foshan University,Foshan 528000,China）

Micro geometry and mechanical parameters are mainly tested by static testing technology of Microstructure in MEMS,which directly influence the characteristics,interchangeability and motion of microstructure.So static testing has important significance.With the development of MEMS static testing technology has also renewed.In the paper static testing techniques of MEMS are analyzed systematically and application and testing range are discussed of various technologies of micro geometry and mechanical parameters.Noncontact optic testing technique is getting more attention and the micro-vision measurement will be the main development direction ofstatic testingtechnologyofMicrostructure in MEMS.

micro electro mechanical systems(MEMS);static testing technology;micro geometry;micro mechanical parameters;the micro-vision measurement

TH741.8

A

1008-0171（2015）03-0005-05

2014-08-29

国家自然科学基金资助项目（51105077）；广东省精密装备与制造技术重点实验室开放基金资助项目

张立平（1979-），女，河北石家庄人，佛山科学技术学院讲师，博士。