ICS 31.200 L 55
GB
中华人民共和国国家标准
GB/T 26112--2010
微机电系统(MEMS)技术
微机械量评定总则
Micro-electromechanical system technology--
General rules for the assessment of micro-mechanical parameters
2011-10-01实施
2011-01-10发布
中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局
中国国家标准化管理委员会 发布 GB/T 26112—2010
前言
本标准按照GB/T1.1一2009给出的规则起草本标准由全国微机电技术标准化技术委员会（SAC/TC336)提出并归口。 本标准起草单位：天津大学、中机生产力促进中心、西安交通大学、大连理工大学、太原理工大学、中
原工学院。
本标推主要起草人：胡晓东、丁红宇、刘伟、张苹、景蔚宣、蒋庄德、刘冲、张文栋、赵则祥
1 GB/T26112—2010
微机电系统（MEMS）技术
微机械量评定总则
1范围
本标准规定了微机械量的评定基本原则、评定要素、评定程序、评定方法以及评定规则本标准适用于企业、研究机构、检测机构从事微机电技术及产品的研究、设计、生产、检测及使用。
2规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅所注目期的版本适用于本
文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。
GB/T26111微机电系统（MEMS)技术术语
3术语和定义
GB/T26111界定的以及下列术语和定义适用于本文件
3. 1
微机械量micro-mechanicalparameters 泛指一切与微机械性质和状态相关的物理量，包括几何量、流量、温度、声学、力学和运动等物理量；
由于几何量、流量、温度、声学等物理量进行了专门的分类，因此微机械量是指位移、速度、加速度、振动等运动特性参量，以及与运动特性相关的力学参量。 3. 2
微位移Microscaledisplacement 描述质点在微米级尺度下位置变化的物理量，其大小等于起点至终点的直线距离，方向由起点指向
终点。
注1：微结构在受到一定激励的条件下会产生位置的变化，典型的位置变化有两种形式，平移和转动，分别对应线位
移和角位移。
注2：如果将微结构基底作为一个参考平面，与这个参考平面面平行的位移为面内位移，否则称为离面位移。
3. 3
振动vibration 物体的往复运动。按照往复运动的方向可分为线振动和角振动。评定微结构的振动特性主要包
括：振动幅度、谐振频率、振动模态、品质因子。 3. 4
残余应力residualstress 在微加工处理完成后，在没有外力的作用下，在微机械结构内部保持平衡而存留的应力，称为残余
应力，是内应力、外应力和热应力的综合作用。 3. 5
应力梯度stressgradient 微机械结构残余应力在厚度方向的非均勾分布，悬空式微机械结构在下部辆牲层释放后会由于残
1 GB/T26112—2010
余应力梯度的存在而发生弯曲。
评定基本原则
微机械量评定宜遵从亢余原则和适应性原则。 穴余原则：
任何测量系统都存在误差，当减小阿贝误差、热变形最小等方法不能提高测量精度时，要考虑采用穴余测量，如用测量次数的增加、测量传感器的增加等测量方式的改变来提高测量精度；合理设计允余度；一在机械量测量中，可利用允余对测量信息进行诊断，剔出粗大误差。
适应性原则：
测量结构的设计应符合现有工艺准则；应对可行的测量方法进行比较，选择最适合的测量方法。
5评定要素
微机械量的评定要素（见表1）主要包括：运动特性参数、力学特性参数两类
表1评定要素分类表
类别
评定要素
微位移速度振动幅度谐振频率振动模态品质因子应力
运动特性参数
力学特性参数
评定程序
6
微机械量评定的基本程序（见图1)如下： a） 根据评定要素确定测量任务，对于不能直接进行测量的评定要素，可以通过计算转化等方法采
用间接测量方法进行； b) 根据可行性和现有条件，确定合适的测量方法（框2）； c) 根据测量方法，明确测量步骤，进行测量（框3）； d) 按照所选方法确定测量次数，将测量数据（框4)进行误差分析及误差处理（框5），如需要进行
相应计算转化才能得到评定要索，则按照给定的计算方法进行计算（框6)得到计算结果； e) 根据测量过程等因素，进行测量不确定度概算（框7）； f) 选定合适的评定规则、评定指标对处理后的测量结果进行评定（框8），得出评定结论（框9）。
2 GB/T26112—2010
在务 方法 测量 测量
测量不确定度概算
测量
误差处理
测量
评定结论
评定
计算
数据
图1 微机械量评定的基本程序框图
7测量样品
凡使用的测量样品需给出测量样品规范。测量样品规范应包括样品的结构几何特征尺寸、表面特征等对测量样品特征进行描述的文字（如需要可以加图形进行描述），确保使用者可以明确测量样品的结构特征和激振方式。
8测量方法
8.1测量方法概述
微结构的运动特性参数的测量可采用的测量方法有：计算机微视觉技术、显微干涉技术、激光多普勒技术。（参见附录A中的A.1）
微结构的力学特性参数测量可采用的测量方法有：无外加载荷静态弯曲法、外加载荷动态弯曲法、 拉曼光谱法、X射线衍射法。（参见附录A中的A.2)
表 2 测量方法与评定要素对应表
评定要素
速度 报动幅度 谐振频率 振动模态 品质因子 J
微位移
测试方法
J V J
V ~ V
V V V
0 V V
计算机微视觉技术显微干涉技术激光多普勒技术
V V V
V V
注1：√表示测量方法可用于此评定要索的测基，○表示测量方法不可用于此评定要素的测量注2：计算机微视觉技术一般是基于微结构的平面特征实施测量，故只能对平面的2维运动特性进行评定。 注3：显微干涉技术和激光多普勒技术获取的是微结构的离面运动信息，故只能对离面运动特性进行评定。 注4：激光多普勒技术一般是获得微结构单点的离面运动信息，为了实现振动模态的测量需要进行逐点扫描
测量。
8.2测量条件
需给出明确的测量条件（如测量环境、仪器等）。 凡所使用的测量仪器和设备需经国家计量部门校准且在校准期内使用。
3 GB/T26112—2010
9测量数据处理
9.1测量误差的类型
测量结果应进行误差分析。按它们在测量结果中出现的规律，误差可分为系统误差、随机误差和粗差、漂移。
在重复条件下，对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值与被测量的真值之差，称为系统误差；测量结果在可重复条件下，对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值之差，称为随机误差；由测量过程中不可重复的突发事件所引起的误差，称为粗大误差；
一
一漂移是一种随时间或随使用次数而改变的误差，由不受控的影响量的系统影响所引起的。
9.2测数据误差处理
对上述四类误差进行判别之后，进行正确的处理，以减小误差对测量结果的影响。
根据系统误差的特征，采用合适的方法进行判别，找出产生系统误差的原因，并采取有效措施来减小系统误差的影响；
一一根据随机误差的性质，对随机误差宜运用相关的概率理论进行分析处理，得出测量结果的置信
概率与置信区间：一根据粗差特点，采用合适的判断准则，从测量数据中正确地找出粗差，并剔出：一一漂移可采用处理系统误差的方法处理。
9.3测量数据计算
对已经进行误差处理之后的数据，如果需要进行相应的计算之后才能得到评定要素的值，卿按照给
定的公式进行计算，得到计算结果。 9.4测量不确定度概算
为了验证是否符合要求，应把测量不确定度考虑进去，对测量结果进行不确定度概算，并在测量结果的完整表述中，给出测量不确定度，必要时还应说明有关影响量的取值范围。
10评定规则
在对计算结果进行评定时，需要按照测量对象和方法给出相应的评定规则，
11评定结论
应根据测量任务要求给出明确的唯一的评定结论，并对评定结果进行简要说明。评定结论中应给出尽可能多的信息，避免用户错误的使用评定结果。 GB/T26112—2010
附录A （资料性附录）
微机械置基本测置方法
A.1运动特性参数测
A.1.1显微干涉技术测量微结构的离面位移、速度、振幅、谐振频率、振动模态、品质因子
说 明
方法
光学显微干涉原理图见图A.1。 光学显微于涉装置采用三种显微干涉光路结 1测量。
显微于涉技术一般只用于离面运动参数的
MEMS的运动频率很高，一般为1kHz～
构，分别为迈克尔逊（Michelson）显微于涉结构、米劳（Mirau）显微干涉结构、林尼克（Linnik）显微于涉 1MHz。为了获得微结构在不同运动位置的干结构。干涉测量方法主要包括：相移干涉法、白光扫 涉图像，最直接的方法是采用高速摄像机，采集描干涉法、傅里叶变换干涉法。相移干涉法测量分 干涉图像的时间应该尽可能短，以保证在一次辨率最高，可达到0.1nm；白光扫描干涉法测量分 采集图像的过程中微结构的离面位移量很小，辨率其次，一般为1nm：傅里叶变换于涉法最低，一 相对于待测量的位移可忽略。采用高速摄像机
在个运动位置只能采集幅干涉图像，而一
般为10nm。
在利用显微干涉技术测量微结构离面运动参数 幅干涉图像解析出表面形貌的精度较低，因此之前必须对测量系统测量表面高度的不确定度进行 只能应用于测量精度要求不高的场合。对于离评定。般是通过测量经过计量部门标定的纳米台 面周期运动的微结构，可采用频闪照明，频闪照阶样品来进行实施的。
明的频率与运动的频率相同，在每一不同的运
测量微结构离面运动的前提条件是微结构在进 动位置都可获得多幅于涉图像，这多幅于涉图行离面运动时不存在面内运动或面内运动能够被测 像可分别应用相移干涉和白光扫描干涉法计算量，以保证离面运动参数的测量过程中微结构表面 得到表面形貌，对不同运动位置的表面形貌进高度差的比较是针对于微结构表面同一点进行的。 行比较就可得到离面位移量。 对于微结构面内运动参数的测量参考A.1.2。
在计算得到微结构不同运动位置的离面位移量之后，结合干涉图像采集的时间计算出离面速度。
对于微结构离面振动幅度的测量，要提高一个运动周期内干涉图像采集的数量，以便采集到最大振幅时微结构的干涉图像，某一点表面形貌变化的最大差值为该点的振动幅度。通过测量不同振动频率下微结构的振幅，振幅的最大值对应的频率为被测微结构的谐振频率。 依据测量视场内各点在不同频率下的振动幅度测量结果就可确定被测微结构的振动模态。
摄像机
光学显微干涉装置
频闪照明
计
算机
0 被测对象
运动激励
图A.1 光学显微干涉测量示意图
5 GB/T26112—2010
A.1.2计算机微视觉技术测量微结构的面内位移、速度、振幅、谐振频率、品质因子
方法
说明
高速摄像机获取不同运动瞬间的图像，运动激励可独立施加。（见图A.2）
计算机微视觉技术方法只能用于面内运动参数的测量。
MEMS的运动频率很高，一般为1kHz～
频闪照明条件下利用常规摄像机获取不同运动瞬间的图像，MEMS器件运动激励的频率与频闪照 1MHz。为了获得微结构在不同运动位置的图明的频率必须一致，两者的相位差必须可控制。（见 像，最直接的方法是采用高速摄像机，采集图像
的时间应该尽可能短，以保证在一次采集图像
图A.3)
在利用图像运动估计算法计算位移量前必须采 的过程中微结构的位移量很小，相对于待测量用平面尺寸标准对光学放大系统进行标定，以确定 的位移可忽略。对于采集得到的图像序列，运图像中单个像素对应的尺寸。
用图像运动估计算法计算位移量，图像运动估
图像运动估计算法的评价应该采用静态离散位 计算法包括块匹配法、数字相关法、相位相关移测量的方法来实施，即采用经过位移量标定的微 法、光流法。对于平面周期运动的微结构，可采定位器带动微结构产生一系列离散位移量，在每次 用频闪照明，频闪照明的频率与运动的频率相位移量达到之后采集一幅图像，再运用所采用的图 同，获得不同运动位置的图像，再利用图像运动像运动估计算法计算出位移量，最后与微定位器给 估计算法计算出位移量。 出的位移量进行比较来评价图像运动估计算法的性
在计算得到微结构不同运动位置的面内位
能，包括位移测量的分辨率和不确定度。位移测量 移量之后，结合图像采集的时间计算出面内的分辨率应该不低于0.1像素。
速度。
微结构面内振动幅度的测量，要提高一个运动周期内图像采集的数量，以便采集到最大振幅时微结构的图像，位置变化的最大差值为振动幅度。通过测量不同振动频率下微结构的振幅，振幅的最大值对应的频率为被测微结构的谐振频率。同时，通过幅频曲线可计算出品质因子。
高速
摄像机
计算机
光学显微装置
普通照明
运动激励
被测对象
F
图A.2普通照明计算机微视觉示意图
摄像机
+ 光学显微装置二被测对象
计
频闪照明
算
机
运动激励
图A.3 频闪照明计算机微视觉示意图
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