張立平，盧清華

（佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，廣東佛山528000）

MEMS微結(jié)構(gòu)靜態(tài)測(cè)試技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用

張立平，盧清華

（佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，廣東佛山528000）

對(duì)國內(nèi)外眾多學(xué)者提出的各種微幾何量和微機(jī)械量的靜態(tài)測(cè)試技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，并討論了其應(yīng)用場(chǎng)合和測(cè)試范圍，在此基礎(chǔ)上分析得出非接觸式光學(xué)測(cè)試方法受到眾學(xué)者的青睞，微視覺測(cè)量是MEMS靜態(tài)測(cè)試技術(shù)的一個(gè)主要發(fā)展方向。

MEMS；靜態(tài)測(cè)試；微幾何；微機(jī)械；微視覺測(cè)量

當(dāng)今微/納制造技術(shù)廣泛應(yīng)用于汽車、新能源、柔性電子、光電子、MEMS/NEMS（微/納機(jī)電系統(tǒng)）以及生物醫(yī)療等領(lǐng)域。MEMS是微納技術(shù)研究的重要方向之一，它是在微電子技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的多學(xué)科交叉的新興學(xué)科。MEMS微結(jié)構(gòu)的靜態(tài)形貌和運(yùn)動(dòng)測(cè)試是微機(jī)電系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)，也是微納技術(shù)研究的重要內(nèi)容，微機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、加工以及可靠性等都離不開MEMS微結(jié)構(gòu)測(cè)試技術(shù)。通常MEMS器件的整體尺寸在幾個(gè)毫米，其關(guān)鍵部件的尺寸在亞毫米至亞微米范圍［1］。大多數(shù)MEMS器件的一些關(guān)鍵參數(shù)可以被靜態(tài)測(cè)量，如表面形狀、粗糙度、特有結(jié)構(gòu)的相對(duì)高度和位置以及材料特性和機(jī)械力學(xué)參數(shù)等，這些參數(shù)都屬于微幾何量和微機(jī)械量的范疇［2］，微結(jié)構(gòu)幾何精度是確保其功能特性和器件互換性的基礎(chǔ)。MEMS微結(jié)構(gòu)的三維運(yùn)動(dòng)特征、可靠性與失效機(jī)理等關(guān)鍵的測(cè)試問題基本上都可以通過MEMS微結(jié)構(gòu)幾何量和機(jī)械量測(cè)試技術(shù)直接或間接地解決，因此MEMS幾何量和機(jī)械量測(cè)試技術(shù)是MEMS微結(jié)構(gòu)測(cè)試領(lǐng)域中的重要基礎(chǔ)之一。

本文對(duì)MEMS微結(jié)構(gòu)靜態(tài)測(cè)試技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)及進(jìn)行探討。

1 微幾何量的測(cè)試

MEMS系統(tǒng)中大部分是三維微細(xì)結(jié)構(gòu)，其部件縮小到顯微尺寸，器件上每一個(gè)結(jié)構(gòu)相對(duì)于其他結(jié)構(gòu)的三維位置必須計(jì)算測(cè)量出來，以保證實(shí)現(xiàn)正確的功能。因此測(cè)試其結(jié)構(gòu)和形貌的精度應(yīng)在(亞)微米甚至納米量級(jí)，這就要求采用高精度的測(cè)試技術(shù)與設(shè)備。MEMS微幾何量測(cè)試技術(shù)常用的方法一般分為接觸式和非接觸式兩大類。

1.1 接觸式測(cè)量

目前接觸式測(cè)量有兩種，一種是機(jī)械觸針式輪廓儀，用于對(duì)表面輪廓、表面粗糙度的測(cè)量，常用的有電感式、壓電式和光電式等，是一種傳統(tǒng)的表面形貌測(cè)量方法，其測(cè)量范圍大，精度高，但在應(yīng)用過程中要么易損傷被測(cè)件的表面，要么需要配套的高精度調(diào)焦系統(tǒng)，且測(cè)量費(fèi)時(shí)，其應(yīng)用領(lǐng)域比較窄，在MEMS的測(cè)量中較少應(yīng)用。另一種是掃描探針顯微鏡，這種微結(jié)構(gòu)表面測(cè)量儀器分辨率可達(dá)原子水平［3］，樣品準(zhǔn)備簡單，功能較多，各國學(xué)者對(duì)其探針與樣品表面的相互作用進(jìn)行了研究，產(chǎn)生了掃描隧道顯微鏡（STM）和原子力顯微鏡（AFM）兩種形式，顯微鏡在微電子領(lǐng)域、MEMS領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。但其設(shè)備昂貴，測(cè)量條件苛刻，若成批量采用測(cè)試費(fèi)用極高，因此不能作為MEMS微結(jié)構(gòu)測(cè)量的專門設(shè)備。

1.2 非接觸式測(cè)量

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、光學(xué)技術(shù)以及其他相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，非接觸測(cè)量方法已經(jīng)在MEMS測(cè)試領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，而且其測(cè)量精度不斷提高，有些測(cè)量方法已經(jīng)達(dá)到納米甚至亞納米級(jí)的精度。目前，非接觸式測(cè)量其主要的方法有投影光柵法、光學(xué)輪廓儀、干涉顯微法、掃描電子顯微鏡、激光力顯微鏡等。

1.2.1 投影光柵法

投影光柵法是早期的一種測(cè)量方法，它通過測(cè)量周期性光柵投影到樣品表面返回的相位信息來提取樣品表面高度輪廓或三維輪廓。代表性的方法有莫爾條紋調(diào)解法、變形光柵傅里葉變換和多幅變形光柵相位調(diào)解法等測(cè)量樣品的三維輪廓。

1.2.2 光學(xué)輪廓儀

光學(xué)輪廓儀又分為光學(xué)探針輪廓儀和普通光學(xué)輪廓儀，通過光纖掃描，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)表面形貌的測(cè)量。其結(jié)構(gòu)簡單，操作簡便，使用環(huán)境相對(duì)寬松，適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，但其測(cè)量精度相對(duì)較低。美國Veeco公司使用自行研發(fā)的觸針輪廓儀、原子力顯微鏡和光學(xué)輪廓儀對(duì)MEMS器件進(jìn)行了三維計(jì)量和分析［4］。美國Zygo公司制造的New Vew5000系列光學(xué)輪廓儀被廣泛應(yīng)用于面形檢測(cè)［5］。

1.2.3 干涉顯微法

干涉顯微法是MEMS結(jié)構(gòu)測(cè)量的主要方法之一，通過在干涉儀上增加顯微放大視覺系統(tǒng)，使之能夠完成微納結(jié)構(gòu)的三維表面形貌測(cè)量，它適宜于測(cè)量結(jié)構(gòu)單元尺寸在微米量級(jí)，表面尺寸在毫米或亞毫米量級(jí)的微結(jié)構(gòu)。

近些年有很多學(xué)者將干涉顯微測(cè)量用于微結(jié)構(gòu)的測(cè)量，世界上已有十多家公司利用顯微干涉技術(shù)的光學(xué)輪廓儀對(duì)MEMS器件的幾何特性進(jìn)行測(cè)量。R Groβ等［6］采用白光干涉測(cè)量了結(jié)構(gòu)的表面粗糙度；Emilia等［7］應(yīng)用白光干涉測(cè)量系統(tǒng)對(duì)生物材料Hydroxyapatite層的厚度進(jìn)行了測(cè)量，取得了較好測(cè)量效果；Groot等［8］開創(chuàng)了干涉顯微測(cè)量用于薄膜測(cè)量的先河。張紅霞［9］等對(duì)微表面三維形貌相移干涉檢測(cè)方法進(jìn)行了研究；郭彤［10］等將顯微干涉測(cè)量系統(tǒng)用于MEMS微結(jié)構(gòu)的測(cè)量，后又提出利用白光干涉的彩色圖像測(cè)量微結(jié)構(gòu)表面形貌的新方法［11］；劉鐵根、孫杰［12］等對(duì)白光干涉測(cè)量的方法和精度進(jìn)行了研究；史鐵林、王海珊等［13］等對(duì)干涉顯微法原理和算法進(jìn)行了研究，開發(fā)了新型三維測(cè)量系統(tǒng)。

近些年來，許多研究者致力于干涉顯微測(cè)量的速度和精度的研究。繼20世紀(jì)90年代一些學(xué)者的研究后，M Adachi等提出高速精密表面光學(xué)測(cè)量方法［14］，該方法在一定程度上提高了顯微干涉技術(shù)測(cè)量MEMS器件幾何特性的測(cè)量速度。德國PTB的J W G Tyrrell等人將干涉顯微物鏡和掃描探針顯微鏡結(jié)合起來用于物體表面形貌的測(cè)量，有效地提高了干涉顯微測(cè)量的水平分辨力［15］。蔣向前、胡凱等開展了MEMS微結(jié)構(gòu)幾何特征的提取技術(shù)，對(duì)MEMS器件表面微結(jié)構(gòu)可進(jìn)行快速檢測(cè)［16］。光學(xué)測(cè)量方法避免了對(duì)器件被測(cè)表面的損傷，但是其測(cè)量結(jié)果受測(cè)試環(huán)境干擾，器件表面的結(jié)構(gòu)、潔凈度等都會(huì)影響測(cè)試結(jié)果。

1.2.4 計(jì)算機(jī)微視覺測(cè)量

隨著測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，將計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)與光學(xué)顯微技術(shù)相結(jié)合的微視覺測(cè)量方法越來越受到重視。J Dgeriekc等人利用相移莫爾條紋的方法測(cè)量曲面的微小變形［17］；S Wblning等人采用共路相移干涉術(shù)測(cè)量MEMS的三維結(jié)構(gòu)［18］；X W Wang等人利用圖像測(cè)量的方法得到MEMS器件幾何尺寸的深度信息［19］，絕對(duì)精度達(dá)2 μm，還可以測(cè)量平面尺寸，其相對(duì)誤差小于2％，可重復(fù)精度高于0.01 nm。

除此之外，近些年有學(xué)者研究了三坐標(biāo)測(cè)量儀，并用于MEMS微結(jié)構(gòu)的幾何測(cè)試［20-21］，但其應(yīng)用范圍很窄，沒有得到普遍應(yīng)用。

2 機(jī)械力學(xué)特性參數(shù)的測(cè)量

目前，MEMS技術(shù)表現(xiàn)為多學(xué)科前沿高度綜合、交叉和滲透，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣闊。因此，對(duì)不同工況下的材料特性和機(jī)械力學(xué)特性參數(shù)進(jìn)行測(cè)量顯得極為迫切。MEMS器件機(jī)械力學(xué)特性參數(shù)的測(cè)量要求使用微探頭，對(duì)測(cè)試環(huán)境有較高的要求，故測(cè)試具有一定的難度。

從20世紀(jì)末開始美國各科研機(jī)構(gòu)相關(guān)學(xué)者陸續(xù)開展MEMS機(jī)械力學(xué)特性測(cè)量方法和裝置的研究。Sandia國家實(shí)驗(yàn)室是MEMS機(jī)械力學(xué)特性參數(shù)測(cè)量這一新興領(lǐng)域的一個(gè)先驅(qū)，自行研制了一套MEMS器件可靠性測(cè)試系統(tǒng)ShiMMeR。該系統(tǒng)通過對(duì)測(cè)試環(huán)境的控制，一次可試驗(yàn)256個(gè)MEMS器件，位移分辨力高于10 nm，可以測(cè)量微梁或膜的應(yīng)變梯度、彎曲模量、殘余應(yīng)力，研究其斷裂特性、靜電粘著、濕度粘著、摩擦等［22］。隨后NIST的D T Raed利用散斑干涉術(shù)測(cè)量了薄膜材料的楊氏模量［23］；H D Espinosa等人利用Mirua顯微干涉儀測(cè)量薄膜和MEMS材料的機(jī)械力學(xué)屬性［24］，L A Starmna Jr利用拉曼光譜技術(shù)進(jìn)行MEMS微橋的應(yīng)力表征［25］。

從21世紀(jì)開始其他一些國家和學(xué)者陸續(xù)開展相關(guān)的研究，W Osten等人嘗試?yán)脭?shù)字全息干涉技術(shù)對(duì)微器件的材料參數(shù)和三維表面形貌領(lǐng)域進(jìn)行了測(cè)量［26］；M W Dnehoff利用表面輪廓儀測(cè)量MEMS微橋的楊氏模量和殘余應(yīng)力參數(shù)［27］；C Quan等人采用光學(xué)干涉的方法測(cè)量MEMS器件的變形，從而計(jì)算它的機(jī)械力學(xué)特性［28］；Janet C等提出了一種基于激光干涉技術(shù)測(cè)量MEMS工作過程中膜厚的方法［29］；M.A.Haque等借助于MEMS執(zhí)行器對(duì)微結(jié)構(gòu)的材料進(jìn)行了測(cè)試［30］；Takahiro等利用原子力顯微鏡，通過彎曲實(shí)驗(yàn)測(cè)量了單晶硅的機(jī)械力學(xué)特性［31］；李昕欣和王躍林等人研制出基于原子力顯微鏡的微納力學(xué)測(cè)試設(shè)備，并應(yīng)用該設(shè)備對(duì)系統(tǒng)光路法、力-位移曲線杠桿法和摩擦環(huán)斜率法等微懸臂梁橫向力標(biāo)定方法進(jìn)行了比較研究［32］；張文棟等人應(yīng)用拉曼光譜頻移技術(shù)，得到了微懸臂梁應(yīng)力分布的一些規(guī)律［33］；蔣莊德等人將模糊數(shù)學(xué)方法引入彈性模量的評(píng)價(jià)過程，建立了基于模糊集的微構(gòu)件彈性模量評(píng)價(jià)模型［34］；北京航空航天大學(xué)的蘭天寶利用微拉曼光譜法對(duì)硅片的殘余應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)試［35］；郁昌玲利用相移顯微干涉法，借助于stoilov算法對(duì)薄膜的應(yīng)力梯度進(jìn)行了研究［36］等。

這些測(cè)試設(shè)備和方法為不同的MEMS器件的多種機(jī)械力學(xué)性能參數(shù)的測(cè)試和研究提供了依據(jù)。

3 小結(jié)

本文對(duì)MEMS微結(jié)構(gòu)靜態(tài)測(cè)試技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)分析，發(fā)現(xiàn)早期對(duì)于MEMS微結(jié)構(gòu)主要是采用輪廓儀、光學(xué)方法、顯微鏡、MEMS執(zhí)行器等設(shè)備和技術(shù)等來測(cè)量其微觀尺度及機(jī)械力學(xué)特性。隨著MEMS技術(shù)和測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前將計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)與光學(xué)顯微技術(shù)相結(jié)合的微視覺測(cè)量方法越來越受到重視，并逐漸被用于微結(jié)構(gòu)的靜態(tài)測(cè)量。本文還對(duì)各種測(cè)試技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)合和測(cè)試范圍進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)，可為其應(yīng)用提供參考依據(jù)。

［1］黃贊.基于計(jì)算機(jī)微視覺的微運(yùn)動(dòng)測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.廣州:華南理工大學(xué),2011:1-2.

［2］王琪民.微型機(jī)械導(dǎo)論［M］.合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,2003:15-20.

［3］楊濤,牛利,李壯,等.掃描探針顯微鏡在導(dǎo)電聚合物研究中的應(yīng)用［J］.應(yīng)用化學(xué),2006,23（2）:117-121.

［4］SERYR F M,STOUTTA,ZECCHINOMJ,et al.3DMEMSmetrologywith Optical Profilers［J］.VeecoInstruments Inc,2002（1）:1-10.

［5］GRIGG D,FELKEL E,ROTH J,et al.Static and dynamic characterization of MEMS and MEMS devices using optical interference microscopy,Proc［J］.SPIE,2004（5455）∶429-435.

［6］ANDREI A,KRUPA K,JOZWIK M,et al.Fabrication,characterization and reliability study in driven cantilevers［J］. Proceedings of SPIE,2006（61880S）∶1-8.

［7］EMILIA L A,KROMKA A L,STEINMULLER-NETHL D,et al.Nondestructive dynamic characterization nano-crystallinediamond membranes flexural plate wave sensors［J］.IEEE Sensors Journal,2006,6（4）∶916-923.

［8］GHIM Y S,KIM S W.Thin-film thickness profile and its refractive index measurements by dispersive white-light interferometry［J］.Optics Express,2006,14（24）∶11885-11891.

［9］張紅霞.微表面三維形貌相移干涉檢測(cè)的研究［D］.天津∶天津大學(xué),2003∶10-23.

［10］郭彤,胡春光,陳津平,等.MEMS顯微干涉測(cè)量系統(tǒng)中相移器性能的研究［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2006,19（5）∶1500-1508.

［11］郭彤,李峰,倪連峰.基于白光干涉彩色圖像的微結(jié)構(gòu)表面形貌測(cè)量［J］.光學(xué)學(xué)報(bào),2014,34（2）∶1-7.

［12］孫杰,劉鐵根,張以謨,等.白光干涉零光程差位置四步測(cè)量法及其精度分析［J］.天津大學(xué)學(xué)報(bào),2007,37（4）∶363-367.

［13］王海珊.微納結(jié)構(gòu)形貌干涉顯微測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.武漢∶華中科技大學(xué),2008∶15-26.

［14］ADACHI M.High-speed precision surface profilometry using large Phase shifting,Proc［J］.SPIE,2003,5264∶322-331.

［15］TYRRELL J W G,SVAIO C D,KURGER-SEHM R,et al.Development of a combined Interference microscope objective and scanning Probe microscope［J］.Rev Sci Instr,2004,75（4）∶1120-1126.

［16］CHEUNG C F,HU K,JIAN X O,et al.Kong Characterization of surface defects in fast tool servo machining of micro lens array using a pattern recognition and analysis method［J］.Measurement,2010（43）9∶10-16.

［17］DEGIRECK J,PAEPEGEM W Van,BOONE P.Application of digital phase-shifting shadow Moiré to micro deformation measurements of curved surface［J］.Optics and Lasers in Engineering,2001,36∶29-40.

［18］WOLFING S,BANITT D,BEN-YOSEF N,et al.Innovative metrology method for the 3D measurement of MEMS structures,Proc［J］.SPIE,2004,5343∶255-263.

［19］WANG W W,LIN R M,WANG Z.Image measurement of geometrical size for Three-dimensional microstructure of MEMS［J］.J Micromech Microeng,2003,13∶300-306.

［20］JOHN A Kramar.Nanometer resolution metrology with the Molecular Measuring Machine［J］.Measurement Science and Technology,2005,16∶2121-2128.

［21］王偉麗.納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)及接觸式測(cè)頭技術(shù)研究［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2008（2）∶49-59.

［22］郭彤.基于顯微干涉術(shù)的微機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)測(cè)度方法與系統(tǒng)的研究［D］.天津∶天津大學(xué),2004∶16-17.

［23］READ D T.Young’s modulus of thin films by speckle interferometry［J］.Meas Sci Technol,1998（9）∶676-685.

［24］ESPINOSA H D,PROROK B C,FISCHER M.A methodology for determining mechanical Properties of freestanding thin films and MEMS materials［J］.Journal of the Mechanics and Physics of Solids,2003,51∶47-67.

［25］STARMAN L A Jr,LOTT J A,AMER M S,et al.Stress characterization of MEMS micro bridges by micro-Raman spectroscopy［J］.Sensors and Actuators A,2003,104∶107-116.

［26］OSTEN W,SEEBACHER S,JUPNER W.The application of digital holography for the inspection of microcomponents, Proc［J］.SPIE,2001,4400∶1-15.

［27］DENHOFF M W.A measurement of Young’s modulus and residual stress in MEMS bridges using a surface profile［J］.Jr Micromech Microeng,2003,13∶686-692.

［28］WANG S H,QUAN C,TYA C J,et al.Deformation measurement of MEMS components using optical interferometry［J］. Meas Sci Technol,2003,14∶909-915.

［29］MARSHALL JNEAT C.New Optic mechanical Technique for measuring layer thickness in MEMS processes［J］.J Micro electrometer Syst,2001（10）∶301-307.

［30］HAQUE M A,SAIF M T A.Microscale Materials testing using MEMS actuators［J］.J Microelectromech Syst,2001,10∶146-152.

［31］TAKAHIRO Namazu,YOSHITADA Isono,TAKESHI Tanaka.Evaluation of size effect on mechanical properties of single cyrstal Silicon by nan scale bending test using AFM［J］.J Microelecrtomech Syst,2001,10∶450-459.

［32］鮑海飛,李昕欣,王躍林.原子力顯微鏡中微懸臂梁／探針橫向力的標(biāo)定［J］.測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào),2005,19（1）∶4-10.

［33］熊繼軍,張文棟,薛晨陽,等.拉曼光譜應(yīng)用于硅微懸臂梁的應(yīng)力特性測(cè)試［J］.中國機(jī)械工程,2005,16（14）∶1292-1295.

［34］朱強(qiáng),蔣莊德,王海容,等.微構(gòu)件彈性模量懸臂梁法測(cè)量的模糊建模及分析［J］.西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),2005,39（5）∶517-521.

［35］蘭天寶,蘇飛.基于拉曼光譜的硅片殘余應(yīng)力測(cè)試方法［C］//北京力學(xué)會(huì)第20屆學(xué)術(shù)年會(huì).北京∶北京力學(xué)會(huì),2014.

［36］郁昌玲.相移顯微干涉技術(shù)測(cè)量薄膜應(yīng)力梯度方法研究［D］.南京:南京師范大學(xué),2013∶4-9.

【責(zé)任編輯：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

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51105077）；廣東省精密裝備與制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目

張立平（1979-），女，河北石家莊人，佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院講師，博士。