为什么需要光学测量技术？MEMS系统需要通过一些部分的动作用于传感和驱动微镜，加速计，陀螺仪，膜式传感器，压力传感器等…电路测试可用于设备是否正常工作的测试不能确定设备的精确行为不能测量到器件在工作过程中的实际形态变化.光学测量可以!压力传感器的共振和工作振型最早的MEMS设备之一，各种类型，不同的应用一些和性能相关的参数，如膜厚度或内部应力无法通过电学方式测量f=227kHzf=437kHzf=842kHz压力传感器:参数识别※更多案例信息，请与我们联系
微悬臂是最简化但也是最多样化的MEMS设备微悬臂是许多设备和应用程序的基本结构元素Inertialsensors惯导器件RFMEMS射频开关BiomedicalMEMS生物微机系统EnergyHarvesting能量回收系统MoleculeDetection分子检测………………MEMS悬臂梁:有限元验证MEMS悬臂梁的三维测试※更多案例信息，请与我们联系
精密测量自激励多悬臂梁MEMS微器件的振动使用超高分辨率显微式激光测振仪MSA-600获取受分子布朗运动激励的多悬臂梁MEMS微器件的振动特性。这种新颖的测试方法还可用于如原子力显微镜（AFM）的微小针尖的振动测量。MEMS器件，如微型传感器或执行器，如今已成为消费电子、汽车、飞机、医疗设备和仪器的基本元器件。MEMS器件在环境激励下的测试数据对于开发功能性样品以及成熟产品的标定和质量管控至关重要。开发过程分阶段进行：第一阶段，计算数字模型来优化MEMS性能，最小化寄生或偏置效应。第二阶段，通过样品实测来验证这些优化指标，并获取MEMS器件的总体技术参数。在本文中，我们使用德国Polytec公司的MSA显微式激光测振仪来对MEMS多悬臂结构进行测试（图1），得出该结构的机械振动特性及表面形貌特征。图1：被测MEMS器件为悬臂梁结构，对其四个悬臂梁进行测量，即左下方区域。悬臂梁宽65μm，长795~825μm。MSA显微式激光测振仪集多种测量功能于一体：基于激光多普勒原理的面外振动测量，基于频闪法的面内振动分析，基于白光干涉原理的表面形貌测量（图2）。图2：使用MSA系统的基于白光干涉原理的形貌测量模块，测量出悬臂结构的表面缺陷环境激励的振动测量振动测试分两个阶段进行：首先，使用主动激励的方式，激励信号由粘在MEMS器件底座上的压电陶瓷片来提供；第二，仅由环境作为激励，也称为被动激励。主动激励的信号由系统内置信号发生器产生并传输至压电陶瓷片，同时该信号可用作相位参考；对于环境激励，使用耦合在光路中的额外的光纤式光学头来收集悬臂梁反射光作为相位参考。测试结果采用主动激励方式的悬臂梁的工作变形（ODS）和所有测点平均频谱图如图3所示。为对比这两种激励方式下的悬臂梁的振幅和振型，任意选取主动激励频谱图中一个最为明显的共振峰。由于有相位参考，所有测点的相对相位已知，从而得出振型动画。观察振型动画可选出振幅最大的点，并显示其频谱。图3：所有测点的平均频谱图随后，选中采用环境激励方式得到的频谱中的相同频率。与主动激励方式一样，选择振幅最大的点，并显示其频谱。四个独立悬臂梁的每一个悬臂梁均挑出一个频率，显示该频率下主动激励和环境激励下的ODS，并进行比较。本次用于对比分析的频率点是第二阶弯曲模态对应的频率。图4显示的是自激励悬臂梁在130.9kHz时振型。被动激励是由环境中固有的布朗运动形成的。图4：被动激励下，单个悬臂梁在130.9kHz时的工作变形表1显示了主动激励和环境激励下测试结果的比较。由于是采用环境激励，其共振峰值要比主动激励大约低三个数量级。尽管如此，其信号质量仍然足够有效地确定振幅和振型(没有主动激励)。表1：主动激励和被动激励的数据对比总结与展望在现场环境(室内)条件下，利用环境激励对MEMS悬臂梁结构进行非接触式光学振动测量。试验表明，即便通过环境布朗运动进行激励，MSA显微式激光测振仪也能精确测量出微悬臂梁结构中微弱的振动特性。测量结果令工程师们振奋，因为一些其它应用领域的难题可能会迎刃而解，如原子力显微镜（AFM）的微小针尖的振动测量。无需处理或接触原子力显微镜（AFM）悬臂梁，即可通过激光多普勒测振法对其进行标定。这种方法可准确地测量出弯曲和扭转弹簧常数。与传统的AFM弹簧常数测量方法（通常需要在仪器内部完成）相比，这种非接触式测量方法规避了损坏针尖的风险。激光多普勒测振仪所具有的高灵敏度、高准确性和非接触式测量方式等优点，使其成为精密、轻质微型结构在实验室或生产中进行振动分析的首选工具。
蜂窝材料因具有一系列独特的动态特性而受到广泛关注，可用作带隙滤波器，以及传播与频率相关的各向异性的波。为验证波在空间传播时的各向异性，我们需要一种能够在多个位置获取面内速度值的无损测量技术，为此，德国Polytec公司的PSV-500-3D闪亮登场。周期蜂窝材料，如金属或复合蜂窝材料，已在航空航天、汽车和民用结构中得到广泛应用，其中一个重大原因就是它具有较高的强度-重量比。然而，它们的技术应用潜力要远远超过其非凡的静态特性，其中引起广泛讨论的效应就是声子带隙的形成，比如，带隙的间隔传播可被认为是入射波和反射波之间的解构的干涉。另外，一些波的传播遵循了各向异性的方式，即波的方向性。在带隙中，某些频率范围的光不能透过；而在某些频率范围内的光是可以透过的。这种空间效应如得以适当利用，则非常有利于对空间波的控制，如空间波的能量偏转、线路重置、能陷和能量收集及隐声等。我们的研究主题主要围绕着具有非常规空间波操纵能力的新型蜂窝结构的设计与参数化(CelliandGonella,J.Appl.Phys.115,103502(2014))。为支持这项研究，我们需要一个试验方法，能够测试具有显著拓扑复杂性和由轻薄元素组成的结构的动态特性。为此，我们使用德国Polytec公司的3D扫描激光多普勒测振仪，获取特定扫描网格节点上的面内速度，测试网格与蜂窝结构的孔格形状完全一致。本次测试与计算机数模中验证过的相同的结构进行了对标(Phanietal.,J.Acoust.Soc.Am.119,4(2006),GonellaandRuzzene,J.SoundVib.312(2008))。试验搭建如图1所示，使用电火花线切割工艺将厚度为0.95cm的铝板加工成正六边形蜂窝材料31.2cm×30cm，共(20×18)个孔格。相互连接的正六边形孔格壁厚为0.67mm。图1：规则的正六边形蜂窝材料试件底边固定，上边缘中点处放置一个传感器产生激励信号。模拟蜂窝板作为三明治板的桁架芯体，其表面受到点激励的场景。分析时，采用一个5周期窄带猝发瞬态信号作为激励，其具有可变的载频和足够长间隔时间，使得每个测点在被测之前均能回到不受力状态。每个孔格壁设置三个测点，共计有1811个测点。为降低信号噪声，我们采用时间平均(100次平均)。试验装置如图2所示。图2：规则正六边形蜂窝材料的瞬态波域测试注意：显示器上，六边形每个边均设置3个测点要充分研究具有这种拓扑复杂性的结构，精确完成如此多测点的面内测量，非德国Polytec公司的PSV-500-3D三维扫描激光多普勒测振仪莫属。尽管如此，由于蜂窝材料厚度有限，即使是最先进的3D扫描式激光测振仪也面临严峻挑战，在样品制备和数据后处理方面需采取一些特殊手段。在数据采集阶段所面临的主要挑战是将三束激光都重叠聚焦在较薄的孔格壁上。只要有任何一束激光没有聚焦在样品表面（如图3a所示），该测点的数据质量和可靠性则大大降低。不幸的是，通常用于激光点聚焦的视频三角定位法在此不能直接应用，因为我们知道它不能用于边缘处(注意，我们的结构实际上可以看作是边界元的集合)。为此，我们的解决方案是在孔格测点处贴上小块反光膜，如图3b所示。图3c显示的是采用视频三角定位法后，三束激光点成功重叠聚焦在孔格边缘。图3：提高激光点聚焦的过程。a）其中一束激光没有聚焦在孔格上；b）在孔格上贴上小块反光膜；c）三束激光成功重叠聚焦在孔格上。测试结果本次分析中使用了两个信号:一个带载波频率突发信号，属于S模态(3.1kHz)；另一个带载波频率突发信号，属于P模态(27.9kHz)。S模态结果如图4所示，其中通过节点垂直位移插值得到与同一时刻对应的试验波域(图4a)和仿真波域(图4c)。我们观察到，在这个频率下，S模态呈现出空间波传播的各向异性。通过2D-DFT提取数据中波域的频率成分，如图4b和图4d。图4：S模态时(3.1kHz)，试验波域（a）和仿真波域（c）的对比。相应的频谱图，试验波域（b）和仿真波域（d）的对比。我们注意到，本文报告的S模态已经过频域滤波，以消除不符合S模态的伪特征，认为这是小块反光膜的动态特性。P模态如图5所示，传播模式以环型波峰为特征，并证实了该模式下空间波传播的各向同性。图5：P模态时(27.9Hz)，试验波域（a）和仿真波域（c）的对比。相应的频谱图，试验波域（b）和仿真波域（d）的对比。不论是波长还是方向性，这两个频率下的试验结果和仿真结果的一致性较好。
作为英国中微子工厂推进高功率目标计划的一部分，一种用于表征候选目标材料(钨、钽和钼)热机械特性的新方法被开发出来。用于下一代高能粒子加速器系统中的材料经常需要暴露在高应力、高应变率和极高温的极端环境下，为了估计目标系统及其部件在这种环境下的使用寿命，必须在极端条件下对这些材料进行测试。试验搭建如图1所示，由候选材料制成的细导线，通过快速高电流脉冲对其进行加热和加压，该脉冲由ISIS同步加速器(卢瑟福阿普尔顿试验室)的冲击磁铁产生的电源而产生。为了避免氧化，将导线立于在真空腔中，并通过调节脉冲重复率将其加热到2650℃。为使电流产生足够的热应力，导线必须很细(直径小于1毫米)。由OFV-534光学头和OFV-5000控制器组成的单点式激光多普勒测振仪(LDV)，测试了导线的纵向（激光点对准导线尖端）以及径向的振动速度和位移。三种不同的LDV解码器(VD-02,VD-05和DD-300)覆盖了导线振幅和频率的整个范围。同时，LDV测点处还使用光学高温计进行温度测试。注：OFV-534光学头和OFV-5000控制器已经升级成全新的VibroFlex系统，无论是光学灵敏度还是测量精度等技术参数均有大幅提升。图1：试验装置(1)多个带有电流脉冲的同轴电缆汇集成单电缆(2)，与被测导线相连。导线被立于真空腔(3)中，使用激光多普勒测振仪(4)进行测试。图2：电流脉冲试验中直径0.75毫米的钨丝(a)及夹具示意图(b)结果和结论图3为使用激光多普勒测振仪测试到的不同温度下钨丝径向速度。电流脉冲从t=0开始施加，导线开始收缩和膨胀。在大约1μs之后，到达一个新的平衡，并开始振动。图3时间刻度从t<0开始，以表明LDV处于一个相对较低的背景噪声水平。图3：直径为0.5mm的钨丝在不同温度下的振动速度的实测和模拟值试验结果与有限元模拟(LS-DYNA)结果具有良好的相关性。然后利用得到的振动频率提取导线材料的杨氏模量与温度的函数关系。在图4中，将新测试获取的杨氏模量结果与以前的结果进行了比较。图4：不同试验条件下钨丝杨氏模量的比较为确定屈服强度，逐步加大导线中的电流脉冲幅值，直到导线开始弯曲或扭结。从LDV测得的表面速度(见图3)中提取出试验过程中的导线的应变率。LDV光学头内置一台高速摄像机，用于监测导线应变。此外，研究还发现，当塑性变形现象首次出现时，LDV振动速度信号中的噪声成分开始增多。这种LDV信号质量的变化表明导线已接近屈服点。图5显示了钼、钽、钨丝达到屈服点所需应力。图5：钽、钨、钼丝的屈服强度与峰值温度的关系以及各自对应的应变速率值中微子工厂的候选材料是在这个加速器预期工作条件下完成的测试。这种获取材料在极端条件下的热机械动态特性的新型方法，有助于检验不同材质模型的一致性。
伴随着虚拟现实和增强现实(VR/AR)的发展，近年触觉反馈技术引起了人们的极大兴趣。触觉反馈有两种重要的类型，振动触觉反馈和表面触觉反馈，前者通常由LRA/ERM电机或压电作动器实现，可提供简单的短促的振动用于提起注意或确认，通常振动频率低于1kHz。表面触觉反馈技术往往会产生一个更复杂的触觉感受，比如为设备使用者重建一个触摸的手感。一个有效的方法是在人与触摸表面之间产生动态摩擦调制，该调制由超声压电作动器激励振动板产生。该技术可用于平板显示，如手机，平板电脑，汽车操作面板，智能家居中。它增强了现实，提升了用户互动体验，减少了操作时间和错误率。为了更有效地与触摸显示屏整合在一起，触觉反馈设备的开发必须解决三个问题：较大的面外位移(幅值超过1μm，超声频率)，高透过率且不影响显示区域，低驱动电压，低功耗且用户安全。这三个特点相互影响相互制约。由于大振幅是由压电体来产生的，通常是需要高驱动电压，通常，粘在玻璃基体上的压电陶瓷在200V电压下可产生3μm的位移。另外，与压电体相连的区域是不透明的。因此，需要将10V以下的驱动电压和透明压电薄膜AlN和PZT整合起来。然而，传统的制备过程使用金属电极或硅基体，会显著影响设备的透明度。近来，在光学级别的石英晶元上，结合了ITO电极的厚度小于1μm的PZT薄膜制备成功。该方法将PZT面外位移提升到了2.9μm，频率为73kHz。然而过高的驱动电压—150V仍然是一个问题。因此，高透明度与低驱动电压的成功整合仍然是表面触觉反馈应用的一个重要挑战。本文中，同时考虑了设备的结构设计和振动模式设计。我们在玻璃上设计并制备了2μm厚的PZT薄膜与ITO电极金属-绝缘体-金属结构，制成了一个高透明的触觉反馈设备，该设备同时满足了大振幅，高透明，低驱动电压的要求。图1：触觉反馈设备的反对称兰姆波有限元仿真。圆圈内的放大图显示了指压膜利用了触觉反馈效应，右侧为透明薄膜的剖面图，为基于玻璃基底的多层结构，ITO(250nm),PZT(2μm)，ITO(500nm)试验装置我们用有限元方法(ANSYS软件)设计了利用PZT驱动触觉反馈设备的结构，玻璃基底选择了CorningLotus™NXTGlass，其应变点为752°C。初始时，分别使用丙酮，异丙醇，纯水清洁以及氮气吹干，ITO膜由商业溅射系统(SMD-450BHD)制成，玻璃基底平行放置于目标(710×630×6mm3)10cm处，不加热，100sccm氩气流与30sccm水蒸气流作为溅射气体，工作压力与溅射功率分别为0.67Pa，3.2kW。在氮气环境中进行30分钟退火，温度为250℃。最终水晶化步骤在熔炉中进行650℃退火15分钟。水晶结构由XRD来判断，膜的透光率由UV-Vis光度计测量，使用扫描电镜与原子力显微镜观察表面以及截面图像。电极的薄膜电阻用四点探头法测量，压电属性用aixACCTTF-2000分析器测试，aixACCTDBLI系统用来测量小信号d33,f。触觉反馈设备由光刻设备进行刻蚀，振动模式，面外位移和加速度由PSV-500扫描式激光测振仪测量。测试结果考虑到人类手指的灵敏度，触觉反馈设备的基底通常会聚焦在以下几个参数上：图2.(a)ITO/玻璃上的2μm-厚PZT膜的XRD模式.b)ITO/PZT/ITO/Glass可见光透射光谱，小图显示了视觉效果(‘BOE’图是印刷在单独的纸上，放在样品下方).图3.(a)极化P;(b)介电常数ε′以及介电损耗tanδ;(c)压电常数d33,f，电场函数E半波长小于15mm，振幅大于1μm，共振频率高于20kHz。通过有限元分析，触觉反馈设备由一块60×71×0.5mm3的玻璃板以及PZT作动器构成，如图1所示，反对称兰姆波在板上产生，形成触觉反馈，当波腹垂直于平板上下运动时，表现为10个结点的振动模式。详细仿真结果见图1及2，相对较大的位移幅值由5组PZT作动器实现，位置在B处，宽度为W，间隔S分别为5.5mm,5mm，1mm。图2(a)显示了XRD构成PZT/ITO/Glass系统，ITO和PZT膜对应的峰值是确定的，PZT膜的峰值是由一个单一的钙钛矿结构产生的，而没有任何焦石相。晶格参数a=4.012Å，c=4.158Å。玻璃上的整个光学结构的透射谱中的可见波长从400nm到700nm，如图2(b)所示。平均透射率达75%。图2(b)中，带彩色条纹的‘BOE’图是印刷在单独的一张纸上，放置在玻璃下方，透明度足够高，人眼看上去比较舒服。如图S4所示，PZT膜的厚度为2.02μm，值得一提的是，底部电极的厚度设计为顶部电极厚度的两倍，用于补偿PZT膜热处理后的阻值升高，底部电极的薄膜电阻测试了两次，一次是ITO薄膜刚刚制造完成，一次是移除PZT和顶部电极。Fig.4.(a)24V电压下的振动位移测试结果(b)位移和加速度作为单极电压的函数，(a)，(b)两图中的信号频率均为22.5kHz根据有限元分析结果，60×70×0.5mm3大小的玻璃基底会产生10个结点，频率为22.5kHz的振动模式。通过PSV-500扫描式激光测振仪的测试结果可见，面外振动情况如图4(a)所示，可观察到反对称兰姆波，在红色边界和绿色区域内共形成10个结点。波腹在上下振动时，沿结点方向，位移幅值变化不大。如图4(b)中的视频S1所示，加载极低的单极电压10Vpp即可获取商业标准的1μm(峰峰值)振幅，位移和加速度与加载电压完美的线性相关。随着电压升高，电压达到24Vpp时，面外位移可达到4μm，加速度可达到79.5km/s2。从图S6可知，触觉反馈的位移幅值受加载的直流电压影响很大，由于主流电压的应用，位移上升系数为1.3，在PZT膜中，由于被基底夹紧，因此压电响应有限，施加的直流电压对于客服内部应力是有益的，且可提高铁弹性的取向。图5.基于压电材料在超声频率下的触觉反馈设备的当前报告与从前的报告之间的对比，重点在于电压变化(ΔV)导致的面外振动位移的变化(ΔD)我们当前的工作中，触觉反馈设备的面外位移的变化(ΔD)由加载电压的变化(ΔV)引起，与此前报告的结果比对如图5所示。我们在压电系统中发现的最大值大约为150nm/V，包括PZT体以及从Si基底生长出的膜。然而，压电体的不透明，金属基电极或Si基底会影响显示区域的透明度。在玻璃板上覆盖带有透明电极的PZT薄膜设备中，我们的触觉反馈设备整合了高透明和高效率ΔD/ΔV两个优势。一个PZT作动器的电容大约是18nF，是由AgilentTechnologiesB1500A来测量的。测量设置为交流信号，电压25mV，频率22.5kHz。对于所有作动器，总的电容为540nF。所有作动器的有功功率即可用以下公式估算:Vrms×Irms×cosφ,其中Vrms,Irms和φ分别为均方根(rms)电压，均方根(rms)电流以及电压和电流间的相位差(φ)，本文中，驱动电压为单极电压10Vpp，22.5kHz。所有作动器的有功功率经计算为3.58W。大电流由AigtekATA-3080放大器提供。我们的触觉反馈设备可提供摩擦振动的触感，我们可感受到不同的摩擦，是因为对应的振动大小不同。与基于SAW的技术相比，摩擦变小可直接被人类手指感觉到，而不需要在触摸表面与手指间使用任何钢珠或金属膜等材料。对于触觉反馈设备的更多客观评价，我们正在建设一个摩擦测试系统并在下一阶段进行心理物理试验。我们已经制成了PZT薄膜驱动的触觉反馈设备，尽管PZT是多晶体，并没有面外振动方向优先的特点，但基于我们的振动模式设计，仍然在较低的驱动电压下产生了较大的面外位移，且将厚度提升到了2μm，并没有大量损失透光率。未来的工作需要控制PZT膜的方向来获得更好的压电行为。总结展望我们设计并制备了高透明的触觉反馈设备，基于玻璃板上的PZT膜以及透明ITO电极。该玻璃板由22.5kHz电信号驱动，产生10-结点振动，施加极低的单极电压10Vpp即可获取达到商业标准的振幅1μm。随着电压升高到24Vpp，位移可达到4μm，真个设备的透光率达到75%。该设备特别适合用于小型便携纤细的设施上。简介：原文由京东方中央研究院发布在SensorsandActuators:A.Physical杂志上
