MEMs 表征 101：您需要了解的一切

随处可见：当今的设备变得越来越小。您可能没有意识到它们实际上变得多么小。

进入微机电系统 (MEMS)。 MEMS 是具有电气和机械组件的微型设备或系统。这些系统的尺寸从几微米到几毫米不等。在这些尺度上，几乎没有出错的余地，这使得 MEMS 表征和测试成为此类系统设计过程中最重要的步骤之一。让我们对 MEMS 进行进一步分解：

• 微型：这些设备是微型的。
• 电子：这些设备包含传感器等电子元件。
• 机械：这些设备包含机械组件，例如执行器。¹

如何进行 MEMS 表征

让任何两个 MEMS 设备表现相同是很困难的。这些设备因其尺寸而难以测试，而且性能不一致也很常见。这一现实可能会让弄清楚要运行哪些测试以及如何运行它们变得令人畏惧。要全面测试您的 MEMS 设备，您需要评估性能、可靠性和功能。让我们看一下入门时需要的一些仪器，以及执行 MEMS 表征时要考虑的几项测试。

MEM 表征所需的设备

• 任意波形发生器 和 波形发生器 生成与被测设备 (DUT) 有关的输入信号
• 示波器/电压表 和 频谱分析仪 测量 DUT 在时域和频域的输出
• 锁相放大器 如果设备的信噪比 (SNR) 较差，则提取信号信息
• 频率响应分析仪 用于频率响应分析
• 数字滤波器 用于过滤多余的噪声/信号预加重 
• PID 控制器 用于反馈控制和稳定性

要运行的测试

响应时间：衡量设备对环境变化做出反应的速度

所需仪器： 波形发生器, 示波器/电压表

1. 在不更改输入的情况下建立设备基线输出。
2. 将阶跃输入信号施加到 DUT。
   • 注意：信号类型取决于 DUT 的类型。请随意使用不同的信号。
3. 记录设备的响应，直到其达到稳定状态。
4. 测量设备从基线状态转换到阶跃输入响应所需的时间，或最终值的 10-90%。
5. 在不同的操作条件下重复此测量。

频率响应：测量设备在不同频率下的行为

所需仪器： 频率响应分析仪, 数字滤波器

1. 设置一个 多仪器并行模式 配置数字滤波器盒（用于滤波和放大）和频率响应分析仪。
2. 执行频率扫描以测量 MEM 器件在每个频率下的响应幅度。查看设备在不同频率下引入的相移。
3. 确定 MEMS 器件表现出最高响应的谐振频率。
4. 计算器件的 3 dB 截止频率/带宽，以确定器件的工作范围。
5. 检查失真和非线性。
6. 在不同的环境和温度条件下进行此测试。

校准您的 MEMS 设备

所需仪器： 波形发生器, 数据记录仪, 示波器/电压表 or 频谱分析仪

1. 使用可信、稳定的信号源生成已知信号。
2. 测量 DUT 对已知信号的响应。
3. 使用数据记录器记录结果。
4. 建立输入和输出之间的关系，或校准曲线。
5. 根据该曲线确定校正系数。将这些应用到 DUT 并重复测量。

测量噪声：分析 DUT 相对于噪声水平保持强信号的能力

所需仪器： 任意波形发生器 or 波形发生器, 频谱分析仪, 示波器/电压表

1. 在没有输入信号的情况下记录基线本底噪声。
2. 应用已知的稳定输入信号。
3. 在频谱分析仪上查看结果。
   1. 测量信号幅度和任何干扰/噪声。
   2. 测量远离信号的频带中的噪声功率背景。
   3. 计算 SNR（以 dB 为单位） 、信号功率和噪声功率以功率为单位，例如瓦 (W)。
      

测量平均无故障时间 (MTBF) 以衡量设备可靠性

所需仪器： 数据记录仪, 频谱分析仪, 示波器/电压表

1. 定义故障事件包括：硬件故障还是软件故障？
2. 在规定的时间内操作设备并记录故障次数。
3. 计算每种故障类型的 MTBF：
4. 密切关注一段时间内的失败率，以获取最有意义的数据。

MEMS 器件示例

MEMS 器件在从执行器到汽车等一系列应用中都很重要。

传感器

• 检测智能手机运动的加速度计
• 用于检测相机旋转以实现图像稳定的陀螺仪

执行器

• 通过运动响应电刺激的小型阀门，例如在微流体中
• 用于相机自动对焦、精密定位系统甚至喷墨打印机喷嘴的压电执行器

光学

• 光学 MEM 器件，例如光开关和自适应光学器件中的微镜和微透镜，包括微电热执行器 (META) 
• 用于调节光纤通信中光信号强度的可变光衰减器 (VOA)
• 基于 MEM 的光束控制可控制 LiDAR 或自由空间光通信 (FSOC) 中激光束的方向

生物技术²

• 用于微创药物输送和生物传感的微针阵列
• 压力传感，例如基于 MEMS 的血压监测仪
• 微光学相干断层扫描 (µOCT)，提供生物组织的高分辨率横截面成像

汽车行业³

• 测量速度变化的加速度计
• 轮胎压力监测系统 (TPMS)
• 用于高级驾驶辅助系统 (ADAS) 和自动驾驶车辆的惯性测量单元 (IMU)

结论

MEMS 技术继续渗透到多个行业，包括光学和光子学、生物技术等。研究人员正在利用 MEMS 设备的诱人功能，将其集成到比以往更紧凑、更便携的设备中。由于这些设备仍在不断涌现并正在进行大量研究，因此适当的测试和表征对于确定如何改进它们至关重要。

现代软件定义仪器为 MEMS 测试提供快速、灵活的解决方案。例如，俄勒冈州立大学的研究人员正在使用 Moku 平台设计一个低噪声系统，该系统在单个设备中包含端到端原型。要了解更多信息，请查看我们的 案例研究.

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[3]“MEMS 汽车传感器推动移动出行的未来” atomica，29 年 2020 月 20 日。https://atomica.com/mems-automotive-sensors-drive-the-future-of-mobility/#:~:text=These%20sensors%20are%20the%XNUMXdominant

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