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GB／T 38447-2020 微机电系统(MEMS)技术 MEMS结构共振疲劳试验方法简介：

GB/T 38447-2020 是中国国家标准，其全称为《微机电系统(MEMS)技术 - 微机电系统结构共振疲劳试验方法》。该标准主要针对微机电系统(MEMS)的结构设计和制造过程中的共振疲劳特性进行测试和评估。MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）是一种集电子和机械功能于一身的微型设备，广泛应用于各种领域，如传感器、执行器、通讯设备等。

共振疲劳试验是评估MEMS结构在特定频率下承受重复载荷的能力，特别是对于那些在使用过程中可能经历高频振动的组件。这种试验方法主要包括以下几个步骤：

1. 试验样品准备：选取代表性的MEMS结构样本，确保其在测试前处于完好状态，且没有明显的初始缺陷。

2. 设定试验频率：根据被测结构的设计和预期使用条件，确定共振频率范围。

3. 加载方式：通过各种方式施加特定的振动载荷，使结构处于共振状态。

4. 监测和记录：使用传感器记录振动响应、应力和应变等参数，以及疲劳累积损伤。

5. 数据分析：通过对测试数据的分析，评估结构的疲劳寿命、疲劳强度和可靠性。

6. 结果和报告：根据试验结果，提供关于结构共振疲劳性能的评估报告，为设计改进或产品优化提供依据。

总之，GB/T 38447-2020 是为了保证微机电系统在实际应用中的性能安全，通过科学的试验方法来预测和控制其结构的疲劳行为。

GB／T 38447-2020 微机电系统(MEMS)技术 MEMS结构共振疲劳试验方法部分内容预览：

GB/T2298、GB/T10623、GB/T26111界定的以及下列术语和定义适用于本文件。 3.1 载荷比loadratio 周期加载中最大值和最小值的代数比。 3.2 瞬时破坏强度 instantaneousfailurestrength 静态试验或共振振动试验在快速幅值增长过程中的破坏强度。 3.3 参考强度 referencestrength 静态强度或瞬时破坏强度

试验设备能够对试验结构产生恒定振幅和稳定频率的振动。试验系统由激振器、拾振传感器（以

GB∕T 176-1996 水泥化学分析方法GB/T384472020

简称传感器）、控制器和记录仪器组成。试验系统框图如图1所示。

激振器能在所需方向上对样品施加一定振幅和频率的振荡力。可使用不同种类的激振器，例如 压电、热和电磁激振器等。激振器也可安装在样品中

器能够测量样品的运动以确定样品试验部位的振

控制器可控制激振器产生振荡力，以保持恒定振幅共振振动。根据样品的振动特性，采用下列 方法： a 闭合回路法一一根据传感器测量信号的变化确定试验部位的共振频率，通过闭环电路维持共 振频率。 b）开环控制法一一通过激励试验部位，在预定的共振频率和振荡信号幅度下试验。 在整个试验中，频率和幅度的 寺在所需值的土3%内

记录仪器用于监测和采集试验数据或波形曲

录仪器用于监测和采集试验数据或波形曲线。

温度：15℃~35℃； 相对湿度：20%~80%； 大气压力：86kPa~106kPa

样品在共振频率下，没有其他接近于试验的共振模式

一定应力时，样品有一个试验部位会引起其失效

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样品制备方法应与用于评估目标的 两者的形状、尺寸和结构也相同。 样品应能将一个恒定的、高量级的振幅通过共振施加到试验部位上。 样品中可集成一个机械结构，用于激振或检测样品的振幅。附录A的A.1给出了一种用于激振 则振幅的样品：附录B的B.1给出了一种仅用于检测振幅的样品

试验方法的载荷比为－1

武验方法的载荷比为－1

率为试验部位在共振模式下的频率，或接近它的

试验时间为规定时间或样品的失效时间 根据振动频率，可通过试验循环次数确定试验时间。对于寿命与频率无关的材料，如硅，选择试验 循环次数作为实际器件的应力循环，参见附录C

4.6.1测量参考强度

用于测量参考强度的样品采用与试验部位相同的材料和工艺制成。如果使用不同形状的样品时， 样品表现出与试验部位相同的失效模式，并考虑测量强度的尺寸效应。 可用下列试验之一确定参考强度： a）静态试验一一静态试验中，测量的破坏强度即为参考强度。 瞬时疲劳试验一 瞬时疲劳试验中，最大振幅时的强度为参考强度；当很难使用一个不同形状 的样品或难以施加静态负载时，可使用瞬时疲劳试验方法施加共振频率的振幅，并使振幅迅速

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上升至样品失效。 c 模拟或理论分析一一当用试验的方法难以确定参考强度时，可使用模拟或理论分析确定参考 强度，样品达到断裂强度时最大应力下的强度为参考强度。 鉴于脆性材料（如单晶硅的强度变化大，使用试验的方法测量参考强度时，宜获得不少于10件样 品的强度数据，并采用统计学处理方法得到参考强度及其标准偏差

4.6.2测量样品的共振特性

通过频率响应试验测量共振特性。通过控制器控制激振器产生振荡力，并在期望的共振特性周围 扫频以找到实际的共振频率。在该响应试验中施加的负载应足够小，以确保疲劳试验不受影响。如果 该影响不能被忽略，宜将此响应试验中施加的负载循环次数添加到疲劳试验数据中。 当样品和控制器之间需要调节时.共振特性会发生变化.宜测量所有样品的共振特性

4.6.3规定幅值增长率

按4.5.1的方法选择初始施加载荷并规定幅1

4.6.4设置参数和过程监测

设置共振频率、初始施加载荷以及幅值增长率进行试验， 在试验过程中可通过连续监测样品的振动状态（振动频率和/或振幅）检测样品的失效。在系统没 有监测功能时，可通过在一定的时间间隔停止疲劳试验并进行频率响应试验进行监测。

4.6.5试验结束判定

当样品失效或预定的加载时间已完成，则试验结束。 出现以下情况之一，即应视为样品失效： a）试验部位断裂； b）振幅变化超过规定的百分比； c）振动频率变化超过规定的百分比

应记录试验环境的温度、相对湿度、大气压力、样品在试验过程中特定时间间隔测量的振动幅值 率以及样品失效时间

试验报告包括但不限于以下信息： a) 执行标准； b) 样品材料； c) 样品制作方法和细节； d) 样品的形状和尺寸； e) 试验环境； f) 试验设备； 8) 试验条件； h) 试验结果。

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附录A （资料性附录） 集成激振和检测结构静电器件的试验示例

样品由柔性梁试验结构和十法刻蚀单晶硅制作的扇形质量块组成，如图A.1所示。柔性梁的一端 固定在质量块上，另一端固定在衬底上。静电梳齿激振器连接在质量块上，柔性梁可发生面内的弯曲。 和质量块连接的梳齿电极可输出与位移成比例的信号，并且质量块的偏移标度可通过显微镜读出。由 于试验材料用于静电驱动和传感器，试验材料为导电材料。 样品的共振频率由质量块的惯性矩和柔性梁的抗挠刚度决定。由于样品结构厚度的不均匀，试验 部位的面内振动基本共振频率在38.75kHz～39.71kHz之间。基于位移响应测量，当外部信号加载至 激振器时，共振器在大气环境中的Q值约为370。为了增加共振器的Q值，用刻蚀的工艺去除了共振 器衬底的最底层。除了一阶面内振动之外，在附近的频率范围内没有检测到其他的谐振峰。试验在面 内振动模式下的固有频率进行，

图A.1样品的显微图像

试验部位由含有宽度10m，长度30m，宽度5mSO有源层的单晶硅组成，通过表面边缘刻蚀 加工而成。当面内弯曲变形时，侧壁表面的应力可能会导致失效。为了消除侧壁表面不平整造成的影 响，通过光刻和刻蚀步骤进行侧壁平整化。由于引起失效的应力不会仅仅加载至带有梁结构的试验部 立中，在试验部位一侧的中间引人一个4um深的槽。槽的顶端是一个半径为0.5um的半圆，并且用 有限元手段估计了应力集中点。

由于激振和检测结构被集成在样品中，为样品施加共振的设备仅由电路组成，试验设备的框图如 图A.2所示，样品由自振模式被激振

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图A.2试验设备框图

为了并行工作，可制作多套试验设备。当电源和电路板接入时，电干扰会影响稳定的振荡。然而， 在进行并行试验时，电耦合会由于稍有不同频率的样品选择性地减小。 通过位移信号调整驱动信号的振幅和相位实现反馈振荡的模式。驱动信号被高压偏置放大器放大 后加载至静电梳齿激振器。稳定振荡时驱动信号的电压在Vp=20VV=40V。 通过测量梳齿电极电容得到样品的位移振幅。使用电荷放大器和与角度位移信号成比例的电信号 测量梳齿电容。振幅可近似由显微镜读出偏移标度得到，这样能够校准电信号。 用现有方法不能测出加载至试验部位的力，不过基于已测的质量块位移角度，用有限元分析的方法 可估计出加载至试验部位的力。 通过加载自激振荡电路，样品在共振频率下振动。为使样品的位移在恒定水平，自动增益控制 AGC)设备在振荡电路中建立。样品的振幅可由软件控制，AGC的参考电压可由电脑模拟输出控制。 如果振动控制电路AGC的振幅设置值迅速增加，由于高Q值导致机械谐振的延迟可能会破坏振 荡的状态。非稳态振动在几十毫秒后开始，并且几毫秒后试验部位会由于振幅过大失效。为防止上述 现象，可设置AGC振幅在计算机的控制下超过10s线性增长。这种方式导致稳态振动的振幅增大，并 且设置值不会超过过冲量。振幅上升所需的时间与疲劳时间相比非常短，所以对试验结果没有明显的 影响。 使用这种试验方法，电位移信号是被测得的输出值。由于这一信号是稳定的正弦，样品可被假设是 稳定振动而不会失效。当试验部位失效时，信号会有一个正弦波的忽然中断。位移信号的波形在很短 的时间内可被示波器观测到，而长期的位移信号可在一定的间隔内由AGC检测到的振幅记录下来 同时，测量并记录温度和湿度。 为了确定是否发生失效，已测振幅信号和频率信号通过模数电路每秒记录一次。在一些试验中，在 失效瞬间的位移信号可被数字示波器记录下来（记录由位移信号的突变触发）

GA 93-2004 防火门闭门器GB/T384472020

保持在寿命试验的最低振幅点以下 可认为不影响试验结果。在初测期

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外部驱动和集成应变结构（检测位移）器件的试验示例

样品由体微机械工艺制造，材料为单晶硅片，结构如图B.1所示。在这个系统中，质量块被2个或 个梁支撑，架空并平行于衬底表面上方。在梁上制作4个压敏电阻，并组成惠斯通电桥。梁的形变会 导致压敏电阻的改变，然后通过惠斯通电桥输出端电压变化检测位移的变化

试验部位由单晶硅各向异性湿法刻蚀形成。压敏电阻制作在样品表面，用于检测样品振幅。通过 有限元分析样品上最大应力和质量块平面位移之间的关系预先校准样品上的最大应力。通过惠斯通电 桥输出的电压估算最大应力。 以单晶硅材料共振器作为一个示例，质量块宽度1mm，长度1.5mm，厚度0.5mm，4个支撑梁均 为长500um，宽200um，厚20um。测量样品的共振频率为8.5kHz~8.9kHz

试验设备系统框图如图B.2所示。传感器集成在样品上，如图B.1所示，一个多层压电激振器作为 数振器。样品用金属外壳封装并固定在压电激振器上。用振动计监测加载在共振器上的加速度大小。 驱动电路控制器通过位移信号的输人，输出驱动信号，从而产生共振振动。驱动信号由锁相环电路 PLL)控制。通过自动增益控制电路得到稳定振幅，并由计算机记录。计算机可用于监测由控制电路 得到的幅值和与频率成比例的电压输出。8套这样的系统并行使用注意样品的安装，因为振动特性会 因为安装状态而发生变化。 为了判定样品是否失效，计算机每1s记录一次位移信号以及频率转化信号。当振幅偏离设定值 的20%.试验部位可被判定并记录已失效

GB∕T 35462-2017 建筑用木塑复合材料及制品机械紧固件的测试方法GB/T384472020

图B.2试验设备方框图