СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РЕЗОНАНСНЫХ ЧАСТОТ
METHOD OF MEASUREMENT OF RESONANCE FREQUENCIES

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для контроля качества микромеханических элементов, например, акселерометров, гироскопов, микрозеркал, датчиков давления и других устройств.
Так как размеры элементов (торсионы, подвесы) МЭМС, определяющие основные характеристики, а именно чувствительность и резонансную частоту, составляют величину от единиц до десятков микрон, то визуальный контроль размеров обладает очень низкой точностью, поэтому для контроля используется интегральный параметр, а именно резонансная частота подвижного (чувствительного) элемента МЭМС. Следует отметить, что подобный контроль необходимо проводить на этапах производства структур для отслеживания воздействий процессов на характеристики и качество МЭМС, что возможно только бесконтактным способом.
Известны способы, позволяющие определять критические частоты конструкций (резонансные колебания) [1, 2, 3].
Известный способ [1] определения резонанса конструкции с использованием емкостных вибропреобразователей, в котором испытуемое изделие является подвижной обкладкой воздушного конденсатора, неподвижной обкладкой которого является искусственный электрод. Устройство, реализующее данный способ, состоит из вибростенда, на котором закреплен испытуемый элемент, искусственного электрода и измерительной системы. При вибрации изделия расстояние от него до искусственного электрода меняется, следовательно, меняется емкость, что фиксируется измерительной системой.
2
К достоинству способа следует отнести бесконтактное дистанционное измерение перемещений (вибрации). Недостатком является возможность измерения только токопроводящих изделий и деталей площадью не менее 30 мм, а также достаточно длительный процесс установки искусственного электрода.
Известный способ [2] реализуется устройством, состоящим из полупроводникового лазера, оптической системы, необходимой для формирования изучения и приема отраженного оптического сигнала. Гетеродинование отраженного сигнала с лазерным излучением и выделение разностного сигнала, пропорционального амплитуде вибрации точки, на которую падает излучение, позволяет определить критическую частоту.
К достоинствам способа следует отнести бесконтактное дистанционное измерение перемещений (вибрации) контролируемой точки поверхности, на которую падает лазерное излучение. Недостатком является очень высокая стоимость и относительно низкий динамический диапазон входного сигнала, большое время измерения и возможность единовременно измерять только один объект, что делает их малопригодными для контроля качества МЭМС в условиях производства.
Наиболее близким по своей технической сущности является способ [3], реализуемый устройством, содержащим генератор, регулятор амплитуды, усилитель мощности, вибростенд с установленным на нем испытуемым объектом, на котором закреплены вибропреобразователи, выходы которых подключены к измерительной системе. С помощью генератора возбуждается электромагнитный вибратор, подвижная часть которого приходит в колебательное движение, а с помощью вибропреобразователя (акселерометр и др.) и измерительной системы происходит измерение колебаний точки, на которой он закреплен. При подходе к резонансу амплитуда системы сильно возрастает, находится максимум и фиксируется значение частоты, при которой он был достигнут. Недостатком данного способа является большая погрешность измерения из-за дополнительной массы (закрепленной на исследуемом элементе) и невозможность контролировать кремниевые пластины с элементами МЭМС в процессе изготовления.
Задачей предлагаемого способа является повышение точности контроля и уменьшение времени измерения МЭМС элементов.
Для достижения поставленной задачи в способе измерения резонансных частот МЭМС, включающем закрепление МЭМС на подвижной части вибростенда, которая приводится в колебательное движение с переменной частотой, излучение от линейного источника света направляется на МЭМС, причем ось вдоль длинной стороны линейного источника света параллельна оси поворота МЭМС, контролируется отраженное изображение в виде линии, при этом момент резонанса фиксируется по максимальной величине ширины линии, отраженной от контролируемого МЭМС.
Таким образом, использование излучения линейного источника света, ось вдоль длинной стороны которого параллельна оси поворота МЭМС, реализует бесконтактное измерение резонансной частоты одновременно нескольких МЭМС, что повышает точность и уменьшает время измерения. Следует отметить, что цена люминесцентной лампы с диафрагмой, являющейся источником излучения, составляет менее 0.1% стоимости остального оборудования, что выгодно отличает от других бесконтактных методов контроля резонансной частоты.
Изобретение иллюстрируется графическими материалами, где изображено:
фиг.1 - общая схема устройства, реализующего способ, где:
1 - генератор,
2 - регулятор амплитуды,
3 - усилитель мощности,
4 - вибростенд,
5 - подвижная часть,
6 - МЭМС,
7 - источник света,
8 - свет,
9 - оператор.
Фиг.2 - фотография пластины с исследуемыми МЭМС, где:
1 - МЭМС элементы, близкие к резонансу,
2 - МЭМС элемент в резонансе,
3 - МЭМС элементы, далекие от резонанса,
4 - оснастка для фиксации кремниевых пластин.
Способ измерения резонансных частот МЭМС реализуется устройством (фиг.1), содержащим генератор 1, регулятор 2 амплитуды, усилитель 3 мощности, вибростенд 4, на подвижной части 5 которого закреплен МЭМС 6 и линейный источник света 7. Источник света расположен так, что индикатриса излучения источника проходит через МЭМС, при этом ось вдоль длинной стороны линейного источника света параллельна оси поворота чувствительного элемента МЭМС, а сам источник света состоит из люминесцентной лампы и линейной диафрагмы. Излучение 8 от линейного источника света 7 направляется на МЭМС 6, причем ось вдоль длинной стороны линейного источника света параллельна оси поворота МЭМС, при этом контролируется оператором 9 отраженное изображение в виде линии. По мере приближения к резонансной частоте отраженная от МЭМС линия расширяется на плоскости исследуемого объекта (фиг.2). По достижении максимальной величины расширения линии снимаются показатели генератора 1.
Предложенный способ измерения резонансных частот заключается в следующем: МЭМС закрепляется на подвижной части вибростенда, которая приводится в колебательное движение с переменной частотой. Излучение от линейного источника света направляется на МЭМС, причем ось вдоль длинной стороны линейного источника света параллельна оси поворота МЭМС. Контролируется отраженное изображение линейного источника в виде линии, при этом момент резонанса фиксируется по максимальной величине ширины линии, отраженной от контролируемого МЭМС.
Для проверки данного способа было собрано опытное устройство определения резонансных частот МЭМС, состоящее из генератора Tektronix AFG3021, усилителя Brüel & Kjær Type 2718, вибратора Brüel & Kjær Type 4809, на котором закреплена оснастка для фиксации кремниевых пластин (фиг.2) с МЭМС элементами, люминесцентной лампы и закрепленной на ней линейной диафрагмой.
Источники информации
1. ГОСТ РВ 20.57.416-98.
2. Патент US 5883715.
3. Патент РФ 2025684 - прототип.