二维MEMS微镜的可靠性测试与失效分析
2026-07-18 09:22:15   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

微机电系统（MEMS）微镜的可靠性评估与失效分析是一个相对新兴的研究领域，尤其需要评估环境载荷和机械载荷对其性能的影响。

据麦姆斯咨询报道，英飞凌（Infineon）和格拉茨理工大学对采用静电驱动的二维（2D）谐振式MEMS微镜进行了施加应力条件下的可靠性测试，以确定MEMS微镜在何种应力水平以及经历多长时间后，其功能开始受到影响或发生失效断裂。借助所搭建的测试平台，可同时对多个MEMS微镜进行测试，并实时记录多种微镜性能参数。实验持续约一个月，在测试过程中，通过逐步增大微镜的振荡偏转角来不断提高其所承受的应力水平。实验结果表明，部分MEMS微镜性能参数能够在其发生失效之前反映出潜在的失效征兆。其中，MEMS微镜谐振频率出现负向漂移是失效前最明显的特征之一。此外，实验结果还表明，MEMS微镜的谐振频率与环境温度之间存在一定的相关性，同时获得了微镜发生断裂时对应应力水平的分布情况，为MEMS微镜的可靠性评估与寿命预测提供了重要参考。上述研究成果以“Testing the Reliability of 2D MEMS Mirrors by Increasing the Applied Stress Over Time”为题发表于2025 PRIME国际会议。

MEMS微镜的可靠性测试

A. MEMS微镜

本研究所测试的二维谐振式MEMS微镜采用静电梳齿驱动，并与驱动专用集成电路（ASIC）共同构成系统的核心部分，如图1所示。静电梳齿驱动结合真空封装能够获得较高的品质因数（Q-factor）。二维MEMS微镜的其中一个转轴负责实现激光束的垂直扫描，另一个转轴负责实现水平方向扫描。为了实现李萨如（Lissajous）扫描，两个谐振轴之间需要保持一定的频率比，例如1∶2或1∶3等较小的整数比。驱动ASIC的主要目的，是通过其感知接口、锁相环（PLL）、振幅控制和高压（HV）驱动器对MEMS微镜进行感测、控制和驱动。

图1 MEMS微镜测试装置

B. 测试装置

实验所采用的测试装置如图1所示，主要由测试电路板、电源、计算机（PC）以及激光器组成。测试电路板上设有多个插槽，用于安装待测（DUT）MEMS微镜及其对应的MEMS微镜驱动ASIC。测试电路板与电源及计算机相连，由计算机运行测试程序，对整个测试过程进行控制。测试过程中，激光束照射到MEMS微镜表面，并随着微镜振荡偏转角的变化而发生相应偏转。测试过程中记录的各项参数如图1所示。

C. 可靠性测试

本次实验共对23个MEMS微镜进行了为期28天的可靠性测试。实验过程中，每隔三天提高一次快轴的振荡偏转角，从而逐步增加施加于微镜上的机械应力。本研究主要关注微镜快轴的可靠性特性，为了降低慢轴对测试结果的影响，实验过程中仅驱动微镜的快轴进行振荡，而不启动慢轴。表1展示了测试过程中快轴振荡偏转角随时间的增加情况。其中，表中给出了振荡偏转角逐步增加至最终角幅值的百分比，以及该角幅值相对于微镜最大设计目标角度所对应的比例。通过不断增大振荡偏转角，微镜所承受的机械应力逐渐提高，最终测试条件达到其最大角幅值的163.5%。

表1 振荡偏转角随时间的增加情况

可靠性测试结果与分析

研究人员对MEMS微镜的长期可靠性测试结果进行了详细的分析，重点讨论了快轴驱动频率的变化特性，因为测试过程中快轴表现出了不同程度的频率漂移现象。在全部受测微镜中，有4个微镜在测试结束时仍能够正常工作，其振荡偏转角已提高至对应最大设计目标角度的163.5%；其余19个微镜则在测试过程中发生断裂。所有失效微镜均在处于振荡状态的快轴处发生断裂。表2给出了各MEMS微镜发生断裂时对应偏转角的分布情况。结果表明，大多数MEMS微镜在运行288至504小时后，在最大偏转角的112.5%至130%之间发生断裂。其余微镜则在预期的偏转角下发生断裂，此时所承受的机械应力已明显高于最大设计值。

表2 MEMS微镜断裂时的偏转角分布

研究人员在整个测试过程中还记录了MEMS微镜的多项参数，结果表明，多个微镜在发生断裂之前其驱动频率均出现了明显的漂移现象。频率漂移的持续时间从数分钟到数小时不等，并且随着施加应力水平（即振荡偏转角）的增加，其持续时间逐渐缩短。图2显示了两个MEMS微镜在基准频率下的平均驱动频率漂移，这两个微镜分别在运行229小时和235小时后，在105%最大设计偏转角处发生断裂。由图中可以看出，每当提高微镜的振荡偏转角时，其驱动频率都会发生一次阶跃式上升。更为重要的是，两个MEMS微镜均在第10天发生断裂之前出现了明显的负向频率漂移。其中，第一个微镜的频率漂移持续约1.5小时，第二个微镜持续3.5小时，随后均发生断裂。这一结果进一步表明，快轴驱动频率的异常漂移可作为MEMS微镜即将发生失效的重要预警信号。

图2 两个MEMS微镜的平均驱动频率曲线

此外，研究人员还分析了谐振频率与温度之间的关系，这是通过记录ASIC在大约一天时间内测得的模数转换器（ADC）温度值来实现的。该温度值可用于表征器件的实际温度，其变化规律与温度呈反向关系，即ADC数值增大表示温度降低，ADC数值减小表示温度升高。研究人员进一步计算了ADC温度值与MEMS微镜快轴驱动频率之间的相关系数，结果为0.92，表明二者之间存在很强的正相关关系。由于ADC温度值与实际温度本身呈负相关，因此可以推断，实际温度与快轴驱动频率之间存在显著的负相关关系，即温度升高时，驱动频率降低；温度降低时，驱动频率升高。图3给出了MEMS微镜快轴归一化驱动频率随记录的ADC温度值变化的关系曲线，可以直观地看出两者之间具有明显的正相关性，从而进一步验证了快轴驱动频率与实际温度之间的负相关关系。

图3 MEMS微镜的驱动ASIC的ADC温度值与归一化驱动频率之间的关系

结论

综上所述，研究表明，记录MEMS微镜快轴的驱动频率有助于提前预测微镜的失效或断裂。实验结果显示，在19个发生损伤的微镜中，有12个微镜在快轴发生断裂之前出现了明显的频率漂移。因此，无法由温度变化解释的频率漂移现象，可能预示着微镜即将发生断裂失效。

实验分析得到的频率漂移持续时间从数分钟到数小时不等，并且随着施加应力水平的增加，频率漂移持续时间逐渐缩短。此外，研究还获得了MEMS微镜最终发生断裂时对应偏转角的分布情况。结果表明，在施加应力作用下，大多数微镜在运行288至504小时后，于设计最大目标偏转角的112.5%至130%之间发生断裂。同时，部分微镜在测试结束时仍能够正常工作，此时其偏转角已达到最大设计目标角度的163.5%。

此外，实验过程中还观察到了快轴驱动频率与温度之间的关联关系。在未进行严格恒温控制的情况下，温度波动导致了频率发生相应偏移。结合对ADC温度值的分析表明，二维MEMS微镜的快轴频率与实际物理温度之间存在着极强的负相关关系。

论文信息：DOI: 10.1109/PRIME66228.2025.11203520

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