GB T 26112-2010 微机电系统（MEMS）技术 微机械量评定总则.pdf

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1、ICS 3 1. 200 L 55 gB 中华人民=H二/、和国国家标准GB/T 26112-2010 微机电系统(MEMS)技术微机械量评定总则Micro-electromechanical system technology一General rules for the assessment of micro-mechanical parameters 2011-01-10发布2011-10-01实施量生蚂防伪中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中国国家标准化管理委员会发布GB/T 26112-2010 目。吕本标准按照GB/T1. 1-2009给出的规则起草。本标准由全国微机电技术标准化

2、技术委员会CSAC/TC336)提出并归口。本标准起草单位:天津大学、中机生产力促进中心、西安交通大学、大连理工大学、太原理工大学、中原工学院。本标准主要起草人:胡晓东、丁红宇、刘伟、张苹、景蔚宣、蒋庄德、刘冲、张文栋、赵则样。I 微机电系统(MEMS)技术微机械量评定总则GB/T 26112-2010 1 范围本标准规定了微机械量的评定基本原则、评定要素、评定程序、评定方法以及评定规则。本标准适用于企业、研究机构、检测机构从事微机电技术及产品的研究、设计、生产、检测及使用。2 规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期

3、的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。GB/T 26111微机电系统(MEMS)技术术语3 术语和定义GB/T 26111界定的以及下列术语和定义适用于本文件。3.1 微机械量micro-mechanical parameters 泛指一切与微机械性质和状态相关的物理量，包括几何量、流量、温度、声学、力学和运动等物理量;由于几何量、流量、温度、声学等物理量进行了专门的分类，因此微机械量是指位移、速度、加速度、振动等运动特性参量，以及与运动特性相关的力学参量。3.2 微位移Microscale displacement 描述质点在微米级尺度下位置变化的物理量，其大小等于起点至终

4、点的直线距离，方向由起点指向终点。注1:微结构在受到一定激励的条件下会产生位置的变化，典型的位置变化有两种形式，平移和转动，分别对应线位移和角位移。注2:如果将微结构基底作为一个参考平面，与这个参考平面面平行的位移为面内位移，否则称为离面位移。3.3 振动vibration 物体的往复运动。按照往复运动的方向可分为线振动和角振动。评定微结构的振动特性主要包括:振动幅度、谐振频率、振动模态、品质因子。3.4 残余应力residual stress 在微加工处理完成后，在没有外力的作用下，在微机械结构内部保持平衡而存留的应力，称为残余应力，是内应力、外应力和热应力的综合作用。3.5 应力梯度str

5、ess gradient 微机械结构残余应力在厚度方向的非均匀分布，悬空式微机械结构在下部牺牲层释放后会由于残G/T 26112-2010 余应力梯度的存在而发生弯曲。4 评定基本原则微机械量评定宜遵从冗余原则和适应性原则。冗余原则z一一任何测量系统都存在误差，当减小阿贝误差、热变形最小等方法不能提高测量精度时，要考虑采用冗余测量，如用测量次数的增加、测量传感器的增加等测量方式的改变来提高测量精度;一一合理设计冗余度;一一在机械量测量中，可利用冗余对测量信息进行诊断，剔出粗大误差。适应性原则:一一测量结构的设计应符合现有工艺准则;一一应对可行的测量方法进行比较，选择最适合的测量方法。5 评定要

6、素微机械量的评定要素(见表1)主要包括:运动特性参数、力学特性参数两类。表1评定要素分类表类别评定要素微位移速度振动幅度运动特性参数谐振频率振动模态品质因子力学特性参数应力6 评定程序2 微机械量评定的基本程序(见图1)如下:a) 根据评定要素确定测量任务，对于不能直接进行测量的评定要素，可以通过计算转化等方法采用间接测量方法进行;b) 根据可行性和现有条件，确定合适的测量方法(框2);c) 根据测量方法，明确测量步骤，进行测量(框3);d) 按照所选方法确定测量次数，将测量数据(框4)进行误差分析及误差处理(框5)，如需要进行相应计算转化才能得到评定要素，则按照给定的计算方法进行计算(框的得

7、到计算结果;e) 根据测量过程等因素，进行测量不确定度概算(框7);f) 选定合适的评定规则、评定指标对处理后的测量结果进行评定(框的，得出评定结论(框的。GB/T 26112-2010 L_ 图1微机械量评定的基本程序框图7 测量样品凡使用的测量样品需给出测量样品规范。测量样品规范应包括样品的结构几何特征尺寸、表面特征等对测量样品特征进行描述的文字(如需要可以加图形进行描述)，确保使用者可以明确测量样品的结构特征和激振方式。8 测量方法8. 1 测量方法概述微结构的运动特性参数的测量可采用的测量方法有z计算机微视觉技术、显微干涉技术、激光多普勒技术。(参见附录A中的A.l)微结构的力学特性参

8、数测量可采用的测量方法有:元外加载荷静态弯曲法、外加载荷动态弯曲法、拉曼光谱法、X射线衍射法。(参见附录A中的A.2)表2测量方法与评定要素对应表?之?微位移速度振动幅度谐振频率振动模态品质因子计算机微视觉技术、/、/、/、/。、/显微干涉技术、/、/、/J 、J、/激光多普勒技术J 、J、/、/J 、/注1:、/表示测量方法可用于此评定要素的测量.0表示测量方法不可用于此评定要素的测量。注2:计算机微视觉技术一般是基于微结构的平丽特征实施测量，故只能对平面的2维运动特性进行评定。注3:显微干涉技术和激光多普勒技术获取的是微结构的离面运动信息，故只能对离面运动特性进行评定。注4:激光多普勒技术

9、一般是获得微结构单点的离面运动信息，为了实现振动模态的测量需要进行逐点扫描测量。8.2 测量条件需给出明确的测量条件(如测量环境、仪器等)。凡所使用的测量仪器和设备需经国家计量部门校准且在校准期内使用。3 GB/T 26112-2010 9 测量数据处理9. 1 测量误差的类型测量结果应进行误差分析。按它们在测量结果中出现的规律，误差可分为系统误差、随机误差和粗差、漂移。一-在重复条件下，对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值与被测量的真值之差，称为系统误差;一一测量结果在可重复条件下，对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值之差，称为随机误差;由测量过程中不可重复的突发事件所引起的

10、误差，称为粗大误差;一一漂移是一种随时间或随便用次数而改变的误差，由不受控的影响量的系统影响所引起的。9.2 测量数据误差处理对上述四类误差进行判别之后，进行正确的处理，以减小误差对测量结果的影响。一一根据系统误差的特征，采用合适的方法进行判别，找出产生系统误差的原因，并采取有效措施来减小系统误差的影响;一一根据随机误差的性质，对随机误差宜运用相关的概率理论进行分析处理，得出测量结果的置信概率与置信区间;一一根据粗差特点，采用合适的判断准则，从测量数据中正确地找出粗差，并剔出;一一漂移可采用处理系统误差的方法处理。9.3 测量数据计算对已经进行误差处理之后的数据，如果需要进行相应的计算之后才能

11、得到评定要素的值，则按照给定的公式进行计算，得到计算结果。9.4 测量不确定度概算为了验证是否符合要求，应把测量不确定度考虑进去，对测量结果进行不确定度概算，并在测量结果的完整表述中，给出测量不确定度，必要时还应说明有关影响量的取值范围。10 评定规则在对计算结果进行评定时，需要按照测量对象和方法给出相应的评定规则。11 评定结论应根据测量任务要求给出明确的唯一的评定结论，并对评定结果进行简要说明。评定结论中应给出尽可能多的信息，避免用户错误的使用评定结果。4 G/T 26112-2010 附录A(资料性附录)微机械量基本测量方法A.1 运动特性参数测量A. 1. 1 显微干涉技术测量微结构的

12、离面位移、速度、振幅、谐振频率、振动模态、晶质因子方法说明光学显微干涉原理图见图A.1oI 显微干涉技术一般只用于离面运动参数的光学显微干涉装置采用三种显微干涉光路结|测量。构，分别为迈克尔逊(Michelson)显微干涉结构、米劳(Mirau)显微干涉结构、林尼克(Linnik)显微干涉结构。干涉测量方法主要包括:相移干涉法、白光扫描干涉法、傅里叶变换干涉法。相移干涉法测量分辨率最高，可达到0.1nm;白光扫描干涉法测量分辨率其次，一般为1nm;傅里叶变换干涉法最低，一般为10nm。在利用显微干涉技术测量微结构离面运动参数之前必须对测量系统测量表面高度的不确定度进行评定。一般是通过测量经过计

13、量部门标定的纳米台阶样品来进行实施的。测量微结构离面运动的前提条件是微结构在进行离面运动时不存在面内运动或面内运动能够被测量，以保证离面运动参数的测量过程中微结构表面高度差的比较是针对于微结构表面同一点进行的。对于微结构面内运动参数的测量参考A.l.2。图A.1光学显微干涉测量示意图MEMS的运动频率很高，一般为1kHz 1 MHz。为了获得微结构在不同运动位置的干涉图像，最直接的方法是采用高速摄像机，采集干涉图像的时间应该尽可能短，以保证在一次采集图像的过程中微结构的离面位移量很小，相对于待测量的位移可忽略。采用高速摄像机在一个运动位置只能采集一幅干涉图像，而一幅干涉图像解析出表面形貌的精度

14、较低，因此只能应用于测量精度要求不高的场合。对于离面周期运动的微结构，可采用频闪照明，频闪照明的频率与运动的频率相同，在每一不同的运动位置都可获得多幅干涉图像，这多幅干涉图像可分别应用相移干涉和白光扫描干涉法计算得到表面形貌，对不同运功位置的表面形貌进行比较就可得到离面位移量。在计算得到微结构不同运动位置的离面位移量之后，结合干涉图像采集的时间计算出离面速度。对于微结构离面振动幅度的测量，要提高一个运动周期内干涉图像采集的数量，以便采集到最大振幅时微结构的干涉图像，某一点表面形貌变化的最大差值为该点的振动幅度。通过测量不同振动频率下微结构的振幅，振幅的最大值对应的频率为被测微结构的谐振频率。依

15、据测量视场内各点在不同频率下的振动幅度测量结果就可确定被测微结构的振动模态。5 GB/T 26112-2010 A. 1.2 计算机微视觉技术测量微结构的面内位移、速度、振幅、谐振频率、晶质困子方法高速摄像机获取不同运动瞬间的图像，运动激励可独立施加。(见图A.2) 频闪照明条件下利用常规摄像机获取不同运动瞬间的图像，MEMS器件运动激励的频率与频闪照明的频率必须一致，两者的相位差必须可控制。(见图A.3)在利用图像运动估计算法计算位移量前必须采用平面尺寸标准对光学放大系统进行标定，以确定图像中单个像素对应的尺寸。图像运动估计算法的评价应该采用静态离散位移测量的方法来实施，即采用经过位移量标定

16、的微定位器带动微结构产生一系列离散位移量，在每次位移量达到之后采集一幅图像，再运用所采用的图像运动估计算法计算出位移量，最后与微定位器给出的位移量进行比较来评价图像运动估计算法的性能，包括位移测量的分辨率和不确定度。位移测量的分辨率应该不低于o.1像素。图A.2普通照明计算机微视觉示意图圄A.3频闪照明计算机微视觉示意图6 说明计算机微视觉技术方法只能用于面内运动参数的测量。MEMS的运动频率很高，一般为1kHz 1 MHz。为了获得微结构在不同运动位置的图像，最直接的方法是采用高速摄像机，采集图像的时间应该尽可能短，以保证在一次采集图像的过程中微结构的位移量很小，相对于待测量的位移可忽略。对

17、于采集得到的图像序列，运用图像运动估计算法计算位移量，图像运动估计算法包括块匹配法、数字相关法、相位相关法、光流法。对于平面周期运动的微结构，可采用频闪照明，频闪照明的频率与运动的频率相同，获得不同运动位置的图像，再利用图像运动估计算法计算出位移量。在计算得到微结构不同运动位置的面内位移量之后，结合图像采集的时间计算出面内速度。微结构面内振动幅度的测量，要提高一个运动周期内图像采集的数量，以便采集到最大振幅时微结构的图像，位置变化的最大差值为振动幅度。通过测量不同振动频率下微结构的振幅，振幅的最大值对应的频率为被测微结构的谐振频率。同时，通过幅频曲线可计算出品质因子。G/T 26112-201

18、0 A. 1.3 激光多普勒技术测量微结构的离面位移、速度、振幅、谐振频率、振动模态、晶质因子方法激光多普勒测振仪(见图A.4)的光斑尺寸一般在毫米量级，为了应用于微结构运动参数的测量，需要将测量光束通过显微光学装置后再入射到被测结构表面，以将光斑尺寸缩小到微米量级。在利用激光多普勒技术测量微结构运动参数之前必须对测量系统测量速度的不确定度进行评定。一般是将使用的激光多普勒测振仪送到计量部门进行检定。计算机图A.4激光多普勒测振仪测量示意图说明激光多普勒技术一般用于离面运动参数的测量。激光多普勒技术能够获得微结构瞬时速度，但是属于点测量，即速度测量结果是测量光束在被测微结构表面照射点的瞬时速度

19、。在测量得到微结构在不同运动瞬间的离面速度之后，结合采集的时间计算出离面位移。对于微结构离面振动幅度的测量，要提高一个运动周期内瞬时速度采集的数量，以便采集到最大振幅时微结构的瞬时速度。如果速度测量值少，计算出来的位移值将存在较大误差。通过测量不同振动颇率下微结构的振幅，振幅的最大值对应的频率为被测微结构的谐振频率。为了实现振动模态的测量，需要将测量光点在微结构表面进行扫描，对每一点的振幅进行综合后得到振动模态。A.2 微结构应力测量方法A. 2.1 无外加载荷静态弯曲法测量微结构应力方法设计和制作不同形状的悬空嗷结构，在牺牲层释放后由于应力的释放将导致悬空微结构产生变形，通过测量牺牲层释放前

20、后的变形量来计算应力。微结构图形的设计应该考虑应力的表现形式，以使得通过牺牲层释放后结构发生变形，并利用该变形量计算应力的模型是可建立和可靠的。微结构变形的测量应该采用非接触的方法，以避免测量力的存在导致微结构再次产生变形，例如:面内变形的测量可采用微视觉的方法，离面变形的测量可采用显微干涉的方法。除了需要测量变形量外，一般还需要对微结构的几何形状和弹性模量进行测量。如通过微悬臂梁的弯曲挠度来计算应力时还需要测量悬臂梁的长度、宽度、厚度和弹性模量。说明薄膜工艺是MEMS的基本工艺，再辅以光刻和腐蚀工艺来获得不同形状的悬空结构。悬空微结构在牺牲层释放后产生变形，薄膜工艺产生的应力可能被基本或部分

21、释放，通过变形量计算出的应力数据不是微结构的残余应力，而是反映薄膜工艺所产生的应力，应该主要用作工艺的评价。微结构的不同形状对应着不同的应力计算方法，为了使得计算方法可建立，要求被测试的对象具有简单的结构。7 G/T 26112一2010A. 2. 2 外加载荷动态弯曲法测量微结构应力方法设计和制作不同形状的固支悬空微结构，在牺牲层释放后由于边界的固定将使得应力不能释放，通过外界激励使得该结构产生弯曲或谐振，通过测量施加力与变形量的关系来计算出残余应力，或通过测量谐振频率来计算残余应力。微结构图形的设计应该考虑应力的表现形式，以使得通过在一定外加载荷条件下的变形或谐振频率来计算应力的模型是可建

22、立和可靠的。外加载荷的方式有:静电、压电、光热、声波、气压差、机械加载等。为了保证施加力的准确性和可控性，建议使用纳米压痕仪或原子力显微镜实施微探针的机械加载和针对薄膜的气压差加载。微结构变形和谐振频率的测量应该采用非接触的方法，以避免测量力的存在导致微结构再次产生变形或引起谐振频率的变化，例如:面内变形的测量可采用微视觉的方法，离面变形的测量可采用显微干涉的方法，离面谐振频率可采用激光多普勒测振法。然而如果外加载荷是通过微探针直接施加的，微探针的位移量可基本看作为加载点的变形量。除了需要测量变形量外，一般还需要对微结构的几何形状和弹性模量进行测量。如通过微固支梁的力加载弯曲来计算应力时还需要

23、测量悬臂梁的长度、宽度、厚度和弹性模量。A.2.3 X射线衍射法测量微结构应力方法说明薄膜工艺是MEMS的基本工艺，再辅以光刻和腐蚀工艺来获得不同形状的悬空结构。固支悬空微结构在牺牲层释放后仍将存在较大的残余应力。微结构的不同形状对应着不同的力加载方式和应力计算方法，为了使得力加载可实施、计算方法可建立，要求被测试的对象具有简单的结构。说明测量出X射线的衍射角，得到衍射晶面间距的IX射线衍射法检测量残余应力的依据是弹变化，参照无应力状态下的晶面间距计算出残余应|性力学及X射线晶体学理论。晶体在无应力力。在测量X射线的衍射角时可选用不同的测量|的状态下，不同方位的晶面间距是相等的，而存方式，如:

24、固定X射线人射角方式，固定衍射晶面方|在一定的残余应力时，晶面间距随晶面方位及位角方式，然后通过相应的扫描获得衍射角。I应力的大小发生有规律的变化，从而使X射线8 衍射角发生偏移，因此所测材料必须为结晶态。测得残余应力为X射线光斑照射面积上的平均残余应力，该方法可直接对实际的MEMS器件实施测量，不需要像A.2. 1和A. 2. 2得制作专门的测试结构。GBjT 26112-2010 A.2.4 拉曼光谱法测量微结构应力方法说明拉曼光谱仪发出激光经显微物镜照射微结构，I 拉曼散射光谱的产生跟微结构原子本身的激光光子与微结构原子相互碰撞造成激光光子的散|振动相关，当微结构存在拉或压的残余应力时，

25、射，非线性碰撞的散射光形成拉曼光谱，拉曼谱线的|其原子的键长会相应地伸长或缩短，因而原子移动与微结构残余应力呈一定关系，可以通过求解|的振动频率会减小或增大，拉曼光谱的峰值会Secular方程得到。I向低频或高频移动。使用显微物镜可以使得拉曼光谱仪有很好的空间分辨率。该方法可直接对实际的MEMS器件实施测量，不需要像A.2. 1和A. 2. 2得制作专门的测试结构。拉曼光谱峰值的频移量反映了残余应力的大小，因此需要元应力的同等材料作为标准物质，以其拉曼光谱峰值作为参考值，而目前可获得的无应力标准物质的材料种类很有限。9 GB/T 26112-2010 参考文献lJ 王伯雄，陈非凡，董瑛.微纳米

26、测量技术M.北京:清华大学出版社，20062J 倪育才.实用测量不确定度MJ.北京:中国计量出版社，20093J ASTM E2245-02 标准测试方法:使用光学干涉仪测量反射薄膜残余应力4J ASTM E2246-06 标准测试方法:使用光学干涉仪测量反射薄膜的应变梯度5J GB/T 18779. 1-2004产品几何量技术规范(GPS)工件与测量设备的测量检验第1部分z按规范检验合格或不合格的判定规则10 EON-NFFNH固。国华人民共和国家标准微机电系统(MEMS)技术微机械量评定总则GB/T 26112-2010 中* 中国标准出版社出版发行北京复兴门外三里河北街16号邮政编码:100045网址电话:6852394668517548 中国标准出版社秦皇岛印刷厂印刷各地新华书店经销当&印张1字数19千字2011年2月第一次印刷开本880X 1230 1/16 2011年2月第一版祷书号:155066. 1-41569 18.00元如有印装差错由本社发行中心调换版权专有侵权必究举报电话:(010)68533533定价26112-2010 打印日期:2011年3月20日F002A