本研究透過超高解析度光學振動測量法，探討分子布朗運動對多懸臂式 MEMS 結構的激發現象。此種嶄新的測試方法可應用於原子力顯微鏡（AFM）探針的校準等領域。
MEMS 裝置作為感測器或致動器，是當今消費性電子產品、汽車、飛機以及醫療設備與儀器中不可或缺的元件。對 MEMS 裝置進行原位環境激發的測量與特性分析，對於開發功能性原型，以及推出經過適當校準與品質控制的量產裝置至關重要。
在開發流程的第一階段，會利用數位模型的計算結果來優化 MEMS 性能，並將寄生效應或偏移效應降至最低。在第二階段，則會驗證這些優化結果，並針對原型樣品測量 MEMS 裝置的一般規格。本文利用Polytec MSAMicro System Analyzer （圖 1）對一種 MEMS 多樑結構進行特性分析。 所得的測量結果同時表徵了該裝置的機械振動特性及其表面形貌。
Micro System Analyzer 將三種測量技術整合於單一儀器中：用於測量平面外振動的雷射多普勒振動計、用於平面內分析的頻閃視訊顯微鏡，以及用於測量表面形貌的白光干涉儀（圖 2）。
環境激發振動的測量
振動測試分兩個階段進行：第一階段是透過黏合在 MEMS 基座上的壓電致動器進行主動激振測量；第二階段則是僅進行環境激振測量。
在主動激振測試中，內建發射器的訊號會施加至壓電致動器，並同時用作相位參考；而在環境激振測試中，則透過將第二台光纖振動計耦合至光路，並使其從微梁基座反射回來，以此作為相位參考。
測量數據
主動激振會產生一個工作偏轉形狀（ODS）以及涵蓋所有網格點的對應平均頻譜（圖 3）。 為了比較主動激發與環境激發的振幅及偏轉形狀，我們隨機選取了主動頻譜中一個最顯著的共振峰。由於使用了相位參考，因此可以以相對相位來動畫化所有個別網點的運動。接著，選取振幅最高的點，並檢視其單點頻譜。
隨後，在環境激振情況下，於頻譜中選取了相同的頻率。與主動激振的情況相同，選取振幅最高的點並顯示其頻譜。針對四根獨立的懸臂梁，各選取一個頻率，接著分別顯示主動激振與環境激振懸臂梁的 ODS，並進行相互比較。在每種情況下，均選取了與第二彎曲模態相關的頻率。
圖 4 顯示了一根自激懸臂梁在 130.9 kHz 時的撓度形狀。被動激振源於環境中固有的統計布朗運動。
表 1 顯示了主動激振與環境激振之間的比較。就環境激振的情況而言，所檢測共振頻率的振幅約低了三個數量級。儘管如此，訊號品質仍足以有效測定振幅與偏轉形狀（無需主動激振）。
解讀與展望
本研究於原位環境（室溫）條件下，成功演示了對 MEMS 懸臂結構在環境激發下振動行為的非接觸式光學測量。實驗證實，雷射多普勒振動計甚至能夠精確測量僅受環境布朗運動激發的微觀懸臂所產生的極微小振動。這項令人印象深刻的成果，有望應用於諸多有趣的領域，例如原子力顯微鏡（AFM）探針的新型校準技術。
此環境激發法結合雷射多普勒振動計，可用於校正原子力顯微鏡（AFM）微樑，且無需操作或讓探針接觸任何表面。透過此方法，可精確測量彎曲與扭轉彈簧常數。相較於傳統的 AFM 彈簧常數校正方法（通常在儀器內部進行），此方法可避免損壞探針的風險。
雷射多普勒振動測量技術憑藉其高靈敏度、高精度及非接觸特性，使其成為實驗室中基於顯微鏡的振動分析，以及生產應用（例如精密、低質量結構與裝置的校正）的首選方法。
