Mems在电力设备检测中的应用

褚文超 贾建忠 牛佳荣

（乌兰察布电业局 内蒙古自治区乌兰察布市 012000）

当前配电站向智能化方向发展，基于Mems的配电站智能化电力监控系统设计按照人本思路，为确保配电站安全可靠运行创造基础条件。本文分析电气设备智能化可能性，得出微电气设备特点。

1 Mems可靠性测试电学测量系统研究

电学测量是利用电子技术测量方式，由于电子技术频率范围广等优点，迅速应用于国民经济各领域。电学测量内容广泛，包括点能量测量，信号特性测量等方面。电学测量具有测量准确度高，测量频率范围广，易于实现遥测等特点。电学测量广泛应用于天文观测、复杂生命细胞遗传及工农业生产等各领域。目前电子测量设备在性能、工艺结构等方面取得很大进展，生产向系统化、高性能等方向发展。

1.1 Mems器件主要失效模式

Mems技术在工业中应用对各领域产生重大影响。可靠性是产品规定条件下完成功能能力，规定时间是保证时间，可靠性研究在产品研发设计中占据重要地位。产品可靠性特点体现在与规定时间功能密切相关。Mems器件可靠性困难，由于Mems设计加工根据用户要求进行，可以建立通用的方法对失效器件进行量化评估分析，Mems失效模式包括断裂屈服，磨损蠕变、粒子污染等。断裂失效是构件在荷载下无明显破坏前兆发生突然破坏现象，常见断裂失效类型分为突然与疲劳断裂。塑性材料随着荷载增加应变增大，应变增加现象称为屈服。应力超过材料强度极限发生断裂屈服失效。磨损是互相接触表面运动造成，主要包括冲蚀浸蚀等类型。磨损造成接触表面抛光加大驱动电压。金属Mems蠕变是重要的可靠性问题，蠕变限制低熔点金属寿命，蠕变依赖应力作用时间，蠕变现象持续时间长。

1.2 Mems可靠性测试电学测量系统应用

电学测量方法易于控制，广泛应用于Mems可靠性测试中。经典方法有疲劳可靠性静电激励法等，美国Berkeley大学Houston等人首次使用静电下拉法测量粘附能与表面处理关系。Mems可靠性测试中，电学参数测量需要多种仪器，环境控制是实验重要环节。Brown等人设计可靠性测量系统包括环境控制腔，电阻测量仪器。Patton等人研究构建测量系统计算机负责数据处理，通过示波器数据传输得到测量数据。Mems电学参数测量受到多种因素应下定，人为连接导致接触电阻等因素改变降低测量精度，测量不改变连接关系，可通过比较法消除其影响。

2 虚拟仪器与LABVIE

2.1 虚拟仪器

随着计算机技术的发展，传统仪器不能适应现代测控系统的要求，美国国家仪器公司提出虚拟仪器打破厂家定义模式，使得用户可以灵活设计仪器系统，使电子测量仪器发生巨大变革。虚拟仪器是通用计算机加上软硬件，使用者在操作设计专用传统电子仪器，把传统仪器功能放在计算机上完成。虚拟仪器利用计算机技术实现扩展仪器功能，达到取代传统电气仪器目的。虚拟仪器是计算机技术介入仪器领域形成的仪器，特点体现在用户定义功能，易于构建网络化测量仪器，软硬件制定开放工业标准。

虚拟仪器硬件包括硬件接口电路与计算机仪器，计算机完成数据分析处理，测量仪器通过接口总线将数据传输给计算机，实验测量系统中应用GPIB接口仪器。虚拟仪器核心技术是软件，可定义为各种仪器，使原来需要硬件实现功能软件化，增强系统功能灵活性。计算机易于与其他应用连接，对系统控制等非常方便，利用数据采集卡可在计算机上构造新仪器系统，虚拟仪器系统软件层次分为VISA库与应用程序。VISA库是标准I/O函数库，存在于仪器程序间，是实现统一开放虚拟仪器系统基础。应用软件建立在仪器驱动程序上，需要通过提供直接友好测控操作界面完成测控任务。虚拟仪器应用软件开发环境包括基于图形化语言与文本语言式。LabVIEW软件是美国NI公司开发基于图形化语言软件，适合控制各种接口实验仪器。

2.2 LABVIEW软件

LabVIEW是实验室虚拟仪器集成环境，是目前功能最强的图形化软件开发环境，可以把复杂的文本语言编程简化为菜单提示方法选择功能，为无编程经验用户调试提供简便工具。LabVIEW是虚拟仪器开发平台软件，以众多源代码级设备驱动程序，为用户构筑实际工程需要的仪器系统创造基础条件。LabVIEW采用图形化编程G语言，适合硬件工程师、生产线工艺技术人员学习使用。熟悉仪器结构的硬件工程师学习LabVIEW驾轻就熟，不必记忆繁复的文本式程序代码。LabVIEW是功能强大的通用编程语言，函数库包括数据采集分析等功能，LabVIEW具有调试工具，动态连续跟踪方式，比其他语言开发环境方便有效。

LabVIEW运行机制非传统计算机体系结构执行方式，传统计算机语言顺序执行结构被并行机制代替，是图形控制流结构数据模式，数据流程序执行是数据驱动，LabVIEW中连接功能节点数据流控制程序执行次序，可以通过相互连接功能节点开发应用程序。VI有人机对话用户界面，前面板接收程序图指令，输入控件模拟仪器输入装置，显示控件贝模拟仪器仪器输入装置，输入控件放置到前面板上，从属输入控件不能随意删除。用LabVIEW编程框图程序不必受常规程序设计语法限制，用线连接各功能节点在程序图中端口。节点包括简单算术功能，用LabVIEW编制出图形化VI分层次。可用作其他程序，图形化程序设计编程简单。

3 电学测量系统设计

计算机程序负责实验流程控制，测量装置接收计算机程序命令，将数据传递给计算机。测量系统完成包括计算机程序对实验室仪器控制，单片机测量装置制作设计。实验利用计算机程序对实验仪器进行远程控制，通过编程方法定义实验流程。实验中制作开关选通电路单片机测量结构。Mems实验中多路开关应用广泛，可靠性实验需用多路开关选择测量电阻。电路采用ATMEL89S51单片机为选通控制端，电路中三极管将基极控制端接收电压信号转变为电流信号控制继电气通断。

温湿度测量电路采用ATAMEL89S51单片机为选通控制端，单片机P1.0口连接传感器时钟。单片机进行初始化，SHT7温湿度传感器定义测量命令，单片机接收判断计算机程序发送命令，传感器测量数据发送到单片机。LabVIEW程序负责向单片机串口发送命令，程序发送命令有初始化及温湿度测量命令。使用实验仪器包括Agilent33220信号发生器、Fluke8808A万用表，可被计算机程序远程控制，仪器提供远程控制接口命令。Agilent3322A型信号发生器产生多种常用信号波形。Keithley4200SCS半导体参数分析仪提供电压源测电流功能。Mems可靠性测量中温湿度控制是实验常用环境控制，实验使用半导体制冷片作加热源，以LABVIEW程序为中心，控制温湿度传感器控制制冷片加热时间。应用广泛的调节控制为规律比例PID控制。PID控制器以其结构简单、工作可靠等特点成为工业控制主要技术。温度控制实验各采样点测量温度值如表1所示。

表1：温度控制实验各采样点测量温度值

PID控制技术方便，不能通过有效测量手段获得系统参数适用PID控制技术，PID控制利用比例积分等计算控制量控制。PID控制器参数整定是控制系统设计核心内容，PID控制器参数整定方法包括理论计算与工程整定法。工程整定法包括临界比例法与衰减法。通过实验按照工程经验公式对控制器参数整定，得到控制器参数需在实际运行中进行调整。临界比例法进行PID控制器参数整定步骤为预选短期CIA杨周期，加入比例控制记下放大系数，通过公式计算得到PID控制器参数。如表2所示。

表2：Keithley4200SCS半导体参数分析仪控温电阻测试数据

实验中利用半导体制冷片为加热源，半导体制冷片两端施加直流电压产生直流电流，发热端为热端，把半导体制冷片两端电压极性对调互换冷热端，制热效果好于制冷，实验中利用加热作用完成温度控制。将半导体制冷片通过开关阵列连接在直流稳压电源上，由LABVIEW软件控制，主机软件命令温湿度传感器测量半导体制冷片表面温度，根据测量数据与设定温度差值，计算下时间单元内半导体制冷片加热时间。为防止加热片损坏出现不可预期情况，系统状态最后输出为假时，表明温度低于期望值状态。检测温控效果实验中，采用间隔时间为2s,PID参数为0.45,01。温度值上升到19.98℃，采样温度与期望温度误差小于0.2℃。电阻测量是电学测量重要内容，需要对比各种测量方案优劣确定最佳方案。

实验室提供Keithley4200SCS半导体参数分析仪，半导体参数分析仪提供电流源，测电压功能。仪器采用远程控制，比较测量电阻方案优劣，将测试温度控制在20℃。在半导体参数分析仪控温电阻测试实验中，加载步长为1V的阶跃电压。实验中进行10次连续测量50次。对比测试方案，半导体分析仪测量均值为5102欧姆，电阻标称值为5100欧姆，测试方案测量值准确，半导体分析仪测量结果偏差较大，万用表测量数据方差较小。实验仪器选用万用表为电阻测量仪器。万用表测量电阻每次连续测量值有相似趋势，测量值逐渐变小，综合考虑测量精度与时间，采取第四次测量值为实验电阻测量值。实验采用Fluke8808万用表为电阻测量仪器。如表3所示。

表3：Fluke8808A万用表控温电阻测试数据

4 Mems疲劳可靠性电学测试

Mems器件不同于普通半导体器件，可动部件在外力加载下往复循环运动，疲劳发生对器件产生严重后果。Mems器件疲劳研究非常必要。交变荷载是荷载方向随时间作周期性不规则变化，疲劳荷载确定荷载分为等幅与阶梯荷载。疲劳破坏具有脆性断裂，交变应力水平低等特征。S-N曲线是反映材料疲劳强度特性曲线，S-N曲线点纵横坐标用Smax,N表示，试件疲劳破坏前经历应力循环次数为N,Smax是有限疲劳寿命为N时材料条件疲劳极限，S-N曲线有水平渐近线，纵坐标用S-1表示为材料对称循环疲劳极限。如图1所示。

图1：疲劳断裂失效分析

4.1 Mems疲劳可靠性基础

Mems结构疲劳特性研究可借助宏观结构方法，对疲劳机理分析存在很大差异，Mems器件失效机理解释包括反应层疲劳机制，机械作用下亚临界开裂机制。Allameth等人提出样品疲劳失效理论，表面氧化在循环应力作用后加速氧化，分解作用不同使样品表面生成不同深度凹槽，裂纹在深槽处生成。表面氧化层分解疲劳失效机制理论未观察氧化层在循环应力下加厚，Muhlstein等人报道使用样品氧化层厚度为30mm，Allameh等人利用AFM观察样品，测量厚度存在差异。Brown等人引入静电激励扇状结构，样品为面内平东结构，一端检测样品运动，循环次数达到百万次，提出裂纹扩展与多晶硅表面本征氧的应力腐蚀疲劳有关。使用TEM测量多晶层厚度困难，表面氧化层厚度不同，模型判断分析缺乏说服力。

目前尚无全面确切阐述多晶硅疲劳现象疲劳机理，湿度对疲劳实验影响大。多晶硅梁结构在疲劳荷载加载后性能发生变化，需选用表征梁结构性能参数，测量参数选择根据实验条件有多种，常用的测量参数有谐振频率等参数。多晶硅材料是许多单晶晶粒组成，多晶硅薄膜电阻由晶粒体电阻等串联，多晶梁发生疲劳时为小裂纹扩展，使晶粒体电阻发生变化，通过测量电阻可监控微梁结构特性变化。多晶硅固支梁结构电阻包括R与接触电阻Rc。N=Lb/Wb, R+ρLb/Sb=ρ□N□，Lb为固支梁结构长度值，Wb为梁的宽度，ρ为多晶硅梁电阻率值，Sb为固支梁结构截面面积；tb为梁厚度，R可以写成方块电阻ρ□与方块数N□的积。接触电阻Rc包括压焊丝与PCB板接触电阻R2等。Rc=R1+R2+R3。测量中利用搭建电学测试系统，消除接触电阻影响。

4.2 Mems疲劳实验

实验通过外加振动激振电压法使梁发生振动，梁在谐振频率处振幅达到最大值，达到疲劳循环加载目的；实验中始终控制实验环境，配测量与电阻无外加振动激励，排除环境对梁电阻变化的影响。梁结构循环加载中隔相同时间测量反映梁性能参数，反映梁结构性能状态变化。通过分析得出电阻等参数变化规律。应用信号发生器连接功放器加载交流电信号，可完成对样品自动加载。实验首先进行环境温度控制，测量主梁与标称电阻初始电阻值。程序将产生激励信号加载在主测梁，实验中环境温度控制在指定值，系统异常停止试验。

实验中需输入温度控制参数，测量时间及引起接口参数，硬件连接后完成实验，程序自动保存测量结果。Mems梁疲劳特性受环境因素影响大，难以自动控制环境湿度，环境温湿度有很大对应跟随关系。实验利用控温系统控制环境温度，利用电学测量系统完成实验。实验选用微电子研究标准工艺流片结构，制作流程为选取N型110硅片，热氧生长厚度为3000A的SiO2为绝缘层，使用LPCVD法淀积厚度为3000A的首层多晶硅。光刻样品成相应图形。使用LPCVD法淀积厚度2μm的PSG为牺牲层。采用LPCVD法淀积厚度2μm的多晶硅层为结构呈。光刻得到所需结构图形，光刻得到锚区所需图形。样品采用表面工艺制作，主测梁为下端固定支梁，谐振频率为172kHz，梁衬底有引线连出，陪测梁为上端固支梁，梁表面有释放孔，梁两端有引线连出。

实验中需用静电激励，选用Agilent公司的3322A型信号发生器，信号发生器提供最大峰值电压为10V，选用功放器将发生器产生电压放大，选用日本NF公司BA4825型功放器，高压达到3000Vp-p。LDV系统可测量样品释放质量等参数，实验选用仪器为初始选取仪器，选用MSV-400M2-20型LDV系统，物理原理是探测运动物体散射反射光的多普勒频移，仪器配有速度解码器，适用于频带0.5-1.5MHz振动测量，测量范围在0.3μm/s-10m/s。LDV系统配12位双通道A/D电路，采样频率达102.4M Sa/s，将A/D转换数字信号转化为频域信号，0-1MHz频域信号硬件FFT转化后最大分辨率为156.25Hz，满足实验精度要求。可以基于更高采样频率编写高分辨率FFT算法。

实验中主测梁加载峰值为50V，经LDV系统测得，实验中每隔1h对注册量及标称电阻值为5.1k陪测电阻进行测量，主测梁进行3.4×10次振动。主测量电阻变化小，固支梁电阻值受环境影响较大，0.6偏移量可视为测量误差结果。分析测量主测量电阻测量点环境温度，环境温度变化量为0.04℃。分析实验测得陪测量电阻变化曲线，陪测梁电阻变化较大，由于梁的污染，电阻测量影响等原因，陪测梁未加载静电激励。分析测量主测梁电阻对测量点环境温度，可排除温度对实验结果的影响。实验表明主测梁未发生疲劳现象，由于静电激励使梁的振幅为400nm，陪测电阻测量证明环境控制成功。实验前期做疲劳实验，初始频率值为119.376kHz多晶硅在2.2×10谐振频率变化0.107kHz，变化值处于多普勒仪误差范围，电阻测量与多普勒仪频率测量结果相同。

5 结语

本文提出应用于Mems可靠性测试电学测量系统方案，制作单片机测量装置，完成LABVIEW程序对其控制。完成对Keithley4200SCS半导体参数分析仪的控制，为电学测量实验设计打下基础。运用温度PID控制原理解决环境控制问题，寻找出精确的电阻测量方案。讨论疲劳试验结果，疲劳实验中主测梁电阻未发生明显变化，实验中温度控制达到预期目标。Mems可靠性研究涉及到很多参数测量，需要制作更多测量装置中。很多单元会被多个实验重复使用，可以独立制作测量装置，拓展实验室测量资源。本文实验中对多晶硅电阻进行疲劳测试，多晶硅有很多参数表征其特性，实验中可综合研究，可采取其他形式使多晶硅梁加速疲劳。陪测梁电阻变化较大，需要实验验证。