(高清版)GB∕T 38447-2020 微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù) MEMS結(jié)構(gòu)共振疲勞試驗(yàn)方法

L55中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)MEMS結(jié)構(gòu)共振疲勞試驗(yàn)方法M-FMEM2020-03-06發(fā)布2020-07-01實(shí)施國家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)GB／T38447—2020 1范圍 2規(guī)范性引用文件 3術(shù)語和定義 4試驗(yàn)方法 4.2試驗(yàn)設(shè)備 4.3試驗(yàn)環(huán)境 4.4樣品要求 4.5試驗(yàn)條件 4.6試驗(yàn)步驟 4.7試驗(yàn)報(bào)告 附錄A（資料性附錄）集成激振和檢測(cè)結(jié)構(gòu)靜電器件的試驗(yàn)示例 附錄B（資料性附錄）外部驅(qū)動(dòng)和集成應(yīng)變結(jié)構(gòu)（檢測(cè)位移）器件的試驗(yàn)示例 表達(dá)式 附錄D（資料性附錄）分析示例 參考文獻(xiàn) ⅠGB／T38447—2020本標(biāo)準(zhǔn)按照GB/T1.1—2009給出的規(guī)則起草。本標(biāo)準(zhǔn)由全國微機(jī)電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)(SAC/TC336)提出并歸口。本標(biāo)準(zhǔn)起草單位：北京大學(xué)、中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心、北京智芯傳感科技有限公司、沈陽國儀檢測(cè)技術(shù)有限公司、浙江博亞精密機(jī)械有限公司、中北大學(xué)、北京必創(chuàng)科技股份有限公司。本標(biāo)準(zhǔn)主要起草人：張威、張亞婷、于振毅、陸學(xué)貴、朱悅、石云波、李海斌、程逸軒、周浩楠、陳得民。1GB／T38447—2020MEM本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了MEMS結(jié)構(gòu)共振疲勞試驗(yàn)的試驗(yàn)方法，包括設(shè)備、試驗(yàn)環(huán)境、樣品要求、試驗(yàn)條件和試驗(yàn)步驟。本標(biāo)準(zhǔn)適用于MEMS結(jié)構(gòu)的共振疲勞試驗(yàn)。2規(guī)范性引用文件下列文件對(duì)于本文件的應(yīng)用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅注日期的版本適用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T2298機(jī)械振動(dòng)、沖擊與狀態(tài)監(jiān)測(cè)詞匯GB/T10623金屬材料力學(xué)性能試驗(yàn)術(shù)語GB/T26111微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)術(shù)語3術(shù)語和定義GB/T2298、GB/T10623、GB/T26111界定的以及下列術(shù)語和定義適用于本文件。3.1周期加載中最大值和最小值的代數(shù)比。3.2靜態(tài)試驗(yàn)或共振振動(dòng)試驗(yàn)在快速幅值增長過程中的破壞強(qiáng)度。3.3靜態(tài)強(qiáng)度或瞬時(shí)破壞強(qiáng)度。4試驗(yàn)方法通過對(duì)樣品施加預(yù)期振動(dòng)幅值的共振振動(dòng)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。當(dāng)樣品失效或達(dá)到預(yù)定的試驗(yàn)時(shí)間或次數(shù)時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束。試驗(yàn)設(shè)備能夠?qū)υ囼?yàn)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生恒定振幅和穩(wěn)定頻率的振動(dòng)。試驗(yàn)系統(tǒng)由激振器、拾振傳感器（以下2GB／T38447—2020簡稱傳感器）、控制器和記錄儀器組成。試驗(yàn)系統(tǒng)框圖如圖1所示。圖1試驗(yàn)系統(tǒng)框圖激振器能在所需方向上對(duì)樣品施加一定振幅和頻率的振蕩力。可使用不同種類的激振器，例如，靜電、壓電、熱和電磁激振器等。激振器也可安裝在樣品中。拾振傳感器能夠測(cè)量樣品的運(yùn)動(dòng)以確定樣品試驗(yàn)部位的振幅。控制器可控制激振器產(chǎn)生振蕩力，以保持恒定振幅共振振動(dòng)。根據(jù)樣品的振動(dòng)特性，采用下列方法：振頻率。記錄儀器用于監(jiān)測(cè)和采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)或波形曲線。4.3試驗(yàn)環(huán)境4.4樣品要求樣品在共振頻率下，沒有其他接近于試驗(yàn)的共振模式。3GB／T38447—2020當(dāng)達(dá)到一定應(yīng)力時(shí)，樣品有一個(gè)試驗(yàn)部位會(huì)引起其失效。樣品制備方法應(yīng)與用于評(píng)估目標(biāo)的制造方法相同，且兩者的形狀、尺寸和結(jié)構(gòu)也相同。樣品應(yīng)能將一個(gè)恒定的、高量級(jí)的振幅通過共振施加到試驗(yàn)部位上。樣品中可集成一個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)，用于激振或檢測(cè)樣品的振幅。附錄A的A.1給出了一種用于激振和檢測(cè)振幅的樣品；附錄B的B.1給出了一種僅用于檢測(cè)振幅的樣品。試驗(yàn)振幅根據(jù)樣品的參考強(qiáng)度確定。參考強(qiáng)度通過4.6.1的方法確定。在試驗(yàn)過程中，可用下列方法之一確定試驗(yàn)振幅：；；。注：硅結(jié)構(gòu)的疲勞試驗(yàn)理論和分析參見附錄C,附錄D。金屬材料試驗(yàn)的詳細(xì)信息參見GB/T24176。-1。振動(dòng)頻率為試驗(yàn)部位在共振模式下的頻率，或接近它的頻率。在不考慮實(shí)際波形的情況下，樣品的位移波形和試驗(yàn)部位的應(yīng)力、應(yīng)變的波形可視為正弦波。試驗(yàn)時(shí)間為規(guī)定時(shí)間或樣品的失效時(shí)間。根據(jù)振動(dòng)頻率，可通過試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)確定試驗(yàn)時(shí)間。對(duì)于壽命與頻率無關(guān)的材料，如硅，選擇試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)作為實(shí)際器件的應(yīng)力循環(huán)，參見附錄C。用于測(cè)量參考強(qiáng)度的樣品采用與試驗(yàn)部位相同的材料和工藝制成。如果使用不同形狀的樣品時(shí)，樣品表現(xiàn)出與試驗(yàn)部位相同的失效模式，并考慮測(cè)量強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)。可用下列試驗(yàn)之一確定參考強(qiáng)度：的樣品或難以施加靜態(tài)負(fù)載時(shí)，可使用瞬時(shí)疲勞試驗(yàn)方法施加共振頻率的振幅，并使振幅迅速4GB／T38447—2020上升至樣品失效。強(qiáng)度，樣品達(dá)到斷裂強(qiáng)度時(shí)最大應(yīng)力下的強(qiáng)度為參考強(qiáng)度。鑒于脆性材料（如單晶硅）的強(qiáng)度變化大，使用試驗(yàn)的方法測(cè)量參考強(qiáng)度時(shí)，宜獲得不少于10件樣品的強(qiáng)度數(shù)據(jù)，并采用統(tǒng)計(jì)學(xué)處理方法得到參考強(qiáng)度及其標(biāo)準(zhǔn)偏差。4.6.2測(cè)量樣品的共振特性通過頻率響應(yīng)試驗(yàn)測(cè)量共振特性。通過控制器控制激振器產(chǎn)生振蕩力，并在期望的共振特性周圍掃頻以找到實(shí)際的共振頻率。在該響應(yīng)試驗(yàn)中施加的負(fù)載應(yīng)足夠小，以確保疲勞試驗(yàn)不受影響。如果該影響不能被忽略，宜將此響應(yīng)試驗(yàn)中施加的負(fù)載循環(huán)次數(shù)添加到疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)中。當(dāng)樣品和控制器之間需要調(diào)節(jié)時(shí)，共振特性會(huì)發(fā)生變化，宜測(cè)量所有樣品的共振特性。4.6.3規(guī)定幅值增長率按4.5.1的方法選擇初始施加載荷并規(guī)定幅值增長率。4.6.4設(shè)置參數(shù)和過程監(jiān)測(cè)設(shè)置共振頻率、初始施加載荷以及幅值增長率進(jìn)行試驗(yàn)。在試驗(yàn)過程中可通過連續(xù)監(jiān)測(cè)樣品的振動(dòng)狀態(tài)（振動(dòng)頻率和／或振幅）檢測(cè)樣品的失效。在系統(tǒng)沒有監(jiān)測(cè)功能時(shí)，可通過在一定的時(shí)間間隔停止疲勞試驗(yàn)并進(jìn)行頻率響應(yīng)試驗(yàn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。當(dāng)樣品失效或預(yù)定的加載時(shí)間已完成，則試驗(yàn)結(jié)束。出現(xiàn)以下情況之一，即應(yīng)視為樣品失效：應(yīng)記錄試驗(yàn)環(huán)境的溫度、相對(duì)濕度、大氣壓力、樣品在試驗(yàn)過程中特定時(shí)間間隔測(cè)量的振動(dòng)幅值和頻率以及樣品失效時(shí)間。試驗(yàn)報(bào)告包括但不限于以下信息：5GB／T38447—2020附錄A（資料性附錄）集成激振和檢測(cè)結(jié)構(gòu)靜電器件的試驗(yàn)示例樣品由柔性梁試驗(yàn)結(jié)構(gòu)和干法刻蝕單晶硅制作的扇形質(zhì)量塊組成，如圖A.1所示。柔性梁的一端固定在質(zhì)量塊上，另一端固定在襯底上。靜電梳齒激振器連接在質(zhì)量塊上，柔性梁可發(fā)生面內(nèi)的彎曲。和質(zhì)量塊連接的梳齒電極可輸出與位移成比例的信號(hào)，并且質(zhì)量塊的偏移標(biāo)度可通過顯微鏡讀出。由于試驗(yàn)材料用于靜電驅(qū)動(dòng)和傳感器，試驗(yàn)材料為導(dǎo)電材料。樣品的共振頻率由質(zhì)量塊的慣性矩和柔性梁的抗撓剛度決定。由于樣品結(jié)構(gòu)厚度的不均勻，試驗(yàn)器襯底的最底層。除了一階面內(nèi)振動(dòng)之外，在附近的頻率范圍內(nèi)沒有檢測(cè)到其他的諧振峰。試驗(yàn)在面內(nèi)振動(dòng)模式下的固有頻率進(jìn)行。圖A.1樣品的顯微圖像加工而成。當(dāng)面內(nèi)彎曲變形時(shí)，側(cè)壁表面的應(yīng)力可能會(huì)導(dǎo)致失效。為了消除側(cè)壁表面不平整造成的影響，通過光刻和刻蝕步驟進(jìn)行側(cè)壁平整化。由于引起失效的應(yīng)力不會(huì)僅僅加載至帶有梁結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)部有限元手段估計(jì)了應(yīng)力集中點(diǎn)。A.2試驗(yàn)設(shè)備由于激振和檢測(cè)結(jié)構(gòu)被集成在樣品中，為樣品施加共振的設(shè)備僅由電路組成，試驗(yàn)設(shè)備的框圖如圖A.2所示，樣品由自振模式被激振。6GB／T38447—2020圖A.2試驗(yàn)設(shè)備框圖為了并行工作，可制作多套試驗(yàn)設(shè)備。當(dāng)電源和電路板接入時(shí)，電干擾會(huì)影響穩(wěn)定的振蕩。然而，在進(jìn)行并行試驗(yàn)時(shí)，電耦合會(huì)由于稍有不同頻率的樣品選擇性地減小。通過位移信號(hào)調(diào)整驅(qū)動(dòng)信號(hào)的振幅和相位實(shí)現(xiàn)反饋振蕩的模式。驅(qū)動(dòng)信號(hào)被高壓偏置放大器放大通過測(cè)量梳齒電極電容得到樣品的位移振幅。使用電荷放大器和與角度位移信號(hào)成比例的電信號(hào)測(cè)量梳齒電容。振幅可近似由顯微鏡讀出偏移標(biāo)度得到，這樣能夠校準(zhǔn)電信號(hào)。用現(xiàn)有方法不能測(cè)出加載至試驗(yàn)部位的力，不過基于已測(cè)的質(zhì)量塊位移角度，用有限元分析的方法可估計(jì)出加載至試驗(yàn)部位的力。通過加載自激振蕩電路，樣品在共振頻率下振動(dòng)。為使樣品的位移在恒定水平，自動(dòng)增益控制(AGC)設(shè)備在振蕩電路中建立。樣品的振幅可由軟件控制，AGC的參考電壓可由電腦模擬輸出控制。蕩的狀態(tài)。非穩(wěn)態(tài)振動(dòng)在幾十毫秒后開始，并且?guī)缀撩牒笤囼?yàn)部位會(huì)由于振幅過大失效。為防止上述AGC且設(shè)置值不會(huì)超過過沖量。振幅上升所需的時(shí)間與疲勞時(shí)間相比非常短，所以對(duì)試驗(yàn)結(jié)果沒有明顯的影響。使用這種試驗(yàn)方法，電位移信號(hào)是被測(cè)得的輸出值。由于這一信號(hào)是穩(wěn)定的正弦，樣品可被假設(shè)是穩(wěn)定振動(dòng)而不會(huì)失效。當(dāng)試驗(yàn)部位失效時(shí)，信號(hào)會(huì)有一個(gè)正弦波的忽然中斷。位移信號(hào)的波形在很短的時(shí)間內(nèi)可被示波器觀測(cè)到，而長期的位移信號(hào)可在一定的間隔內(nèi)由AGC檢測(cè)到的振幅記錄下來。同時(shí)，測(cè)量并記錄溫度和濕度。為了確定是否發(fā)生失效，已測(cè)振幅信號(hào)和頻率信號(hào)通過模數(shù)電路每秒記錄一次。在一些試驗(yàn)中，在失效瞬間的位移信號(hào)可被數(shù)字示波器記錄下來（記錄由位移信號(hào)的突變觸發(fā)）。A.3試驗(yàn)條件由于難以測(cè)量靜態(tài)強(qiáng)度，在試驗(yàn)系統(tǒng)中，樣品的參考振幅通過初步的疲勞試驗(yàn)確定。在顯微鏡下觀察振幅，兩邊的位移是相同的。237GB／T38447—2020A.4初測(cè)初始測(cè)量是測(cè)量樣品的共振頻率。測(cè)量過程中，振動(dòng)的振幅保持在壽命試驗(yàn)的最低振幅點(diǎn)以下，因此可認(rèn)為不影響試驗(yàn)結(jié)果。在初測(cè)期間，測(cè)試所有樣品的共振頻率，沒有出現(xiàn)樣品振動(dòng)的失效。8GB／T38447—2020附錄B（資料性附錄）外部驅(qū)動(dòng)和集成應(yīng)變結(jié)構(gòu)（檢測(cè)位移）器件的試驗(yàn)示例樣品由體微機(jī)械工藝制造，材料為單晶硅片，結(jié)構(gòu)如圖B.1所示。在這個(gè)系統(tǒng)中，質(zhì)量塊被2個(gè)或4個(gè)梁支撐，架空并平行于襯底表面上方。在梁上制作4個(gè)壓敏電阻，并組成惠斯通電橋。梁的形變會(huì)導(dǎo)致壓敏電阻的改變，然后通過惠斯通電橋輸出端電壓變化檢測(cè)位移的變化。圖B.1樣品的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)部位由單晶硅各向異性濕法刻蝕形成。壓敏電阻制作在樣品表面，用于檢測(cè)樣品振幅。通過有限元分析樣品上最大應(yīng)力和質(zhì)量塊平面位移之間的關(guān)系預(yù)先校準(zhǔn)樣品上的最大應(yīng)力。通過惠斯通電橋輸出的電壓估算最大應(yīng)力。B.2試驗(yàn)設(shè)備試驗(yàn)設(shè)備系統(tǒng)框圖如圖B.2所示。傳感器集成在樣品上，如圖B.1所示，一個(gè)多層壓電激振器作為激振器。樣品用金屬外殼封裝并固定在壓電激振器上。用振動(dòng)計(jì)監(jiān)測(cè)加載在共振器上的加速度大小。驅(qū)動(dòng)電路控制器通過位移信號(hào)的輸入，輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而產(chǎn)生共振振動(dòng)。驅(qū)動(dòng)信號(hào)由鎖相環(huán)電路(PLL)控制。通過自動(dòng)增益控制電路得到穩(wěn)定振幅，并由計(jì)算機(jī)記錄。計(jì)算機(jī)可用于監(jiān)測(cè)由控制電路得到的幅值和與頻率成比例的電壓輸出。8套這樣的系統(tǒng)并行使用注意樣品的安裝，因?yàn)檎駝?dòng)特性會(huì)因?yàn)榘惭b狀態(tài)而發(fā)生變化。20%9GB／T38447—2020圖B.2試驗(yàn)設(shè)備方框圖B.3試驗(yàn)條件在固有頻率下進(jìn)行疲勞特性試驗(yàn)。在某些情況下，較大的振幅內(nèi)發(fā)生非線性振動(dòng)，試驗(yàn)也以略低于共振頻率的頻率進(jìn)行。容器中。試驗(yàn)時(shí)的條件為：參考強(qiáng)度的測(cè)量可有兩種方法。第一種方法是靜態(tài)試驗(yàn)，在靜態(tài)試驗(yàn)下，硬度計(jì)壓頭壓在質(zhì)量塊中心誘導(dǎo)失效。第二種方法是通過試驗(yàn)設(shè)備逐漸增加振幅，然后測(cè)出失效點(diǎn)下的強(qiáng)度。在樣品的頻響試驗(yàn)中，來自驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)施加在激振器上并進(jìn)行測(cè)量。所有樣品的共振頻率都被GB／T38447—2020附錄C（資料性附錄）pC注：載荷（應(yīng)力）比對(duì)硅的疲勞特性的影響并未在下述分析當(dāng)中被考慮。Paris定律如式（C.1）所示：式中：mN—循環(huán)次數(shù)；C，C’和n—因此，相比于試驗(yàn)部位的尺寸，等效于損傷的裂縫長度可假設(shè)為很小，而且應(yīng)力強(qiáng)度因數(shù)理論上可 m式中：N—循環(huán)次數(shù)；C’如若這些變量代入到式（C.2）的右端，即可獲得韌性對(duì)應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度因數(shù)。C2若疲勞壽命如式（C.3）所示，依據(jù)等效初始裂縫長度的變化，疲勞壽命的變化是可解釋的。靜態(tài)強(qiáng)GB／T38447—2020Weibull式中：F—累積斷裂可能性；m—Weibull系數(shù)；0斷裂可能性可按式(C.5)計(jì)算：…………(C.5)式中：F—累積斷裂可能性；m—Weibull系數(shù)；N—循環(huán)次數(shù)；C’C3對(duì)于諧振試驗(yàn)，難以即時(shí)地設(shè)定幅值，但振動(dòng)幅值在開始時(shí)逐漸增加。在這個(gè)章節(jié)，對(duì)初始負(fù)載過程的影響進(jìn)行了評(píng)估。假設(shè)幅度隨著循環(huán)次數(shù)線性增長，見式(C.6):式中：N—循環(huán)次數(shù)。通過將該式和式(C.2)代入式(C.1),并進(jìn)行積分，即可獲得式(C.7),用于表示幅值恒定增加試驗(yàn)。式中：C’f—GB／T38447—2020通過比較式(C.7)和式(C.3),可推導(dǎo)得到關(guān)系式，見式(C.8):f式中：N—循環(huán)次數(shù)。fGB／T38447—2020附錄D（資料性附錄）D.1硅的疲勞試驗(yàn)結(jié)果不像傳統(tǒng)的宏觀結(jié)構(gòu)，MEMS結(jié)構(gòu)用許多種新材料制造。硅用于MEMS的主要結(jié)構(gòu)材料之一，在強(qiáng)度和疲勞壽命方面有很大的偏差，因?yàn)楣杞Y(jié)構(gòu)是用濕法腐蝕和干法腐蝕工藝加工的。圖D.1顯示了一條S-N曲線作為硅疲勞試驗(yàn)結(jié)果的示例。數(shù)據(jù)從多個(gè)組織機(jī)構(gòu)獲得并繪制成一張圖表。縱軸表示歸一化疲勞試驗(yàn)中的最大應(yīng)力，根據(jù)在單調(diào)遞增負(fù)載下的平均失效應(yīng)力（靜態(tài)強(qiáng)度）。橫軸表示失效前的循環(huán)次數(shù)。說明：1—單晶〈100〉10Hz;2—單晶〈110〉10Hz;3—單晶〈111〉10Hz;90%40Hz;30%40Hz;65%40Hz;℃℃℃相對(duì)濕度相對(duì)濕度相對(duì)濕度85%~25%~55%~7—單晶〈110〉23℃8—單晶〈110〉23℃9—單晶〈110〉23℃10—單晶〈110〉23℃相對(duì)濕度25%39kHz;相對(duì)濕度50%39kHz;相對(duì)濕度50%36kHz;相對(duì)濕度50%39kHz;11—單晶23℃12—單晶100℃1311—單晶23℃12—單晶100℃13—單晶300℃14—單晶25℃