本文利用超高分辨率光学振动测量技术，研究了分子布朗运动对多悬臂梁MEMS结构的激励作用。这种新型测试方法可应用于原子力显微镜（AFM）探针的校准等领域。
作为传感器或执行器设计的MEMS器件，是当今消费电子产品、汽车、飞机以及医疗设备和仪器中不可或缺的组成部分。对MEMS器件在原位环境激励下的测量与表征，对于开发功能性原型以及推出经过适当校准和质量控制的量产器件至关重要。
在开发过程的第一阶段，利用数字模型的计算结果来优化MEMS性能，并最大限度地减少寄生效应或偏移效应。在第二阶段，对这些优化结果进行验证，并通过原型样品测量MEMS器件的一般规格。本文利用Polytec MSAMicro System Analyzer （图1）对一种MEMS多悬臂梁结构进行了表征。 所得测量结果既表征了器件的机械振动特性，也表征了其表面形貌。
Micro System Analyzer 将三种测量技术整合到一台仪器中：用于测量面外振动的激光多普勒振动测量法、用于面内分析的频闪视频显微镜技术，以及用于测量表面形貌的白光干涉测量法（图2）。
环境激励振动的测量
振动测试分两个阶段进行：第一阶段，通过粘贴在MEMS基座上的压电致动器进行主动激励测量；第二阶段，仅进行环境激励测量。
在主动激励过程中，内置发生器的信号被施加到压电致动器上，同时该信号也被用作相位参考。在环境激励过程中，通过将第二台光纤振动计耦合到光路中并使其从微悬臂基座反射回来，将其用作相位参考。
测量数据
主动激励产生了工作偏转形状（ODS）以及覆盖所有网格点的相应平均频谱（图3）。 为了比较主动激励与环境激励的振幅和偏转形状，从主动频率谱中任意选取了一个最显著的共振峰。由于使用了相位参考，因此可以以相对相位显示所有单个网格点的运动动画。随后，选取了振幅最大的点，并对其单点谱进行了分析。
随后，在环境激励情况的频谱中选取了相同的频率。与主动激励时相同，选取振幅最大的点并显示其频谱。针对四个独立的微梁，分别选取一个频率，然后分别显示主动激励和环境激励条件下微梁的ODS，并进行相互比较。在每种情况下，均选取了与第二弯曲模相关的频率。
图4显示了一根自激悬臂梁在130.9 kHz时的挠度波形。被动激励源于环境中固有的统计布朗运动。
表1展示了主动激励与环境激励之间的比较。在环境激励的情况下，所测共振频率的振幅约低三个数量级。尽管如此，信号质量仍足以有效确定振幅和偏转形状（无需主动激励）。
解读与展望
在原位环境（室温）条件下，成功演示了MEMS悬臂结构在环境激励下的振动行为的非接触式光学测量。实验证明，激光多普勒振动计能够精确测量仅受环境布朗运动激励的微观悬臂结构所产生的微小振动。这一令人印象深刻的结果有望推动许多有趣的应用，例如原子力显微镜（AFM）探针的新型校准技术。
这种环境激励方法结合激光多普勒振动计技术，可用于校准AFM微悬臂，而无需操作或使探针接触表面。通过该方法，可准确测量弯曲和扭转弹簧常数。与通常在仪器内部进行的传统AFM弹簧常数校准方法相比，该方法避免了损坏探针的风险。
激光多普勒振动测量技术凭借其高灵敏度、高精度和非接触特性，已成为实验室中基于显微镜的振动分析以及生产应用（如精密、低质量结构和器件的校准）的首选方法。
