GB/T 38447-2020
基本信息
标准号： GB/T 38447-2020
中文名称：微机电系统(MEMS)技术MEMS结构共振疲劳试验方法
标准类别：国家标准(GB)
标准状态：现行
出版语种：简体中文
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标准分类号
关联标准
出版信息
相关单位信息
标准简介
GB/T 38447-2020.Micro-electromechanical system technology- Fatigue testing method of MEMS structure using resonant vibration.
1范围
GB/T 38447规定了MEMS结构共振疲劳试验的试验方法,包括设备、试验环境、样品要求、试验条件和试验步骤。
GB/T 38447适用于MEMS结构的共振疲劳试验。
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,仅注日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/T 2298机械振动 、冲击与状态监测词汇
GB/T 10623金属材料力学性能试验术语
GB/T 26111微 机电系统(MEMS)技术术语
3术语和定义
GB/T 2298、GB/T 10623、GB/T 26111界定的以及下列术语和定义适用于本文件。
3.1
载荷比 load ratio
周期加载中最大值和最小值的代数比。
3.2
瞬时破坏强度 instantaneous failure strength
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 reference strength
静态强度或瞬时破坏强度。
4试验方法
4.1总则
通过对样品施加预期振动幅值的共振振动进行疲劳试验。当样品失效或达到预定的试验时间或次数时,试验结束。
4.2试验设备
4.2.1概述
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(以下简称传感器)、控制器和记录仪器组成。试验系统框图如图1所示。
4.2.2 激振器
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,静电、压电、热和电磁激振器等。激振器也可安装在样品中。
4.2.3拾振传感器
拾振传感器能够测量样品的运动以确定样品试验部位的振幅。
4.2.4 控制器
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,频率和幅度的稳定性应保持在所需值的士3%内。
1范围
GB/T 38447规定了MEMS结构共振疲劳试验的试验方法,包括设备、试验环境、样品要求、试验条件和试验步骤。
GB/T 38447适用于MEMS结构的共振疲劳试验。
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,仅注日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/T 2298机械振动 、冲击与状态监测词汇
GB/T 10623金属材料力学性能试验术语
GB/T 26111微 机电系统(MEMS)技术术语
3术语和定义
GB/T 2298、GB/T 10623、GB/T 26111界定的以及下列术语和定义适用于本文件。
3.1
载荷比 load ratio
周期加载中最大值和最小值的代数比。
3.2
瞬时破坏强度 instantaneous failure strength
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 reference strength
静态强度或瞬时破坏强度。
4试验方法
4.1总则
通过对样品施加预期振动幅值的共振振动进行疲劳试验。当样品失效或达到预定的试验时间或次数时,试验结束。
4.2试验设备
4.2.1概述
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(以下简称传感器)、控制器和记录仪器组成。试验系统框图如图1所示。
4.2.2 激振器
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,静电、压电、热和电磁激振器等。激振器也可安装在样品中。
4.2.3拾振传感器
拾振传感器能够测量样品的运动以确定样品试验部位的振幅。
4.2.4 控制器
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,频率和幅度的稳定性应保持在所需值的士3%内。
标准图片预览
标准内容
ICS31.200
中华人民共和国国家标准
GB/T38447—2020
微机电系统（MEMS）技术
MEMS结构共振疲劳试验方法
Micro-electromechanical system technology-Fatigue testing method ofMEMS structure using resonant vibration2020-03-06发布
国家市场监督管理总局
国家标准化管理委员会
2020-07-01实施
GB/T38447—2020
规范性引用文件
术语和定义
试验方法
试验设备
试验环境
样品要求
试验条件
试验步骤
试验报告
附录A（资料性附录）
附录B（资料性附录）
附录C（资料性附录）
附录D（资料性附录）
参考文献
集成激振和检测结构静电器件的试验示例外部驱动和集成应变结构（检测位移)器件的试验示例基于帕里斯(Paris)定律和韦伯（Weibull)分布的脆性材料疲劳寿命理论表达式
分析示例·
本标准按照GB/T1.1-2009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。GB/T38447—2020
本标准起草单位：北京大学、中机生产力促进中心、北京智芯传感科技有限公司、沈阳国仪检测技术有限公司、浙江博亚精密机械有限公司、中北大学、北京必创科技股份有限公司。本标准主要起草人：张威、张亚婷、于振毅、陆学贵、朱悦、石云波、李海斌、程逸轩、周浩楠、陈得民。I
1范围
微机电系统（MEMS）技术
MEMS结构共振疲劳试验方法
GB/T38447—2020
本标准规定了MEMS结构共振疲劳试验的试验方法，包括设备、试验环境、样品要求、试验条件和试验步骤。
本标准适用于MEMS结构的共振疲劳试验规范性引用文件
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，仅注日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/T2298机械振动、冲击与状态监测词汇GB/T10623金属材料力学性能试验术语GB/T26111
术语和定义
微机电系统（MEMS）技术术语
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
referencestrength
参考强度
静态强度或瞬时破坏强度。
试验方法
4.1总则
通过对样品施加预期振动幅值的共振振动进行疲劳试验。当样品失效或达到预定的试验时间或次数时，试验结束。
4.2试验设备
4.2.1概述
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（以下GB/T38447—2020
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。试验部价
激拔器
控制器
位移或成变
拾凝传感器
振幅利额率
记录仪器
图1试验系统框图
4.2.2激振器
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，静电、压电、热和电磁激振器等。激振器也可安装在样品中。4.2.3拾振传感器
拾振传感器能够测量样品的运动以确定样品试验部位的振幅。4.2.4控制器
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：
闭合回路法——
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。
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。开环控制法
在整个试验中，频率和幅度的稳定性应保持在所需值的3%内。4.2.5记录仪器
记录仪器用于监测和采集试验数据或波形曲线。4.3
试验环境
温度：15℃~35℃；
相对湿度：20%~80%；
大气压力：86kPa~106kPabzxz.net
4.4样品要求
4.4.1共振特性
样品在共振频率下，没有其他接近于试验的共振模式。2
4.4.2试验部位
当达到一定应力时，样品有一个试验部位会引起其失效。4.4.3样品制备
GB/T38447-—2020
样品制备方法应与用于评估目标的制造方法相同，且两者的形状、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和检测振幅的样品：附录B的B1给出了一种仅用于检测振幅的样品4.5试验条件
4.5.1试验振幅
试验振幅根据样品的参考强度确定。参考强度通过4.6.1的方法确定。在试验过程中，可用下列方法之一确定试验振幅：
a）100%参考强度的恒定振幅：在一定振幅下评估疲劳寿命；b）从一个高量级的振幅逐渐降低：在很短的时间内获得S-N曲线；c）当样品的数量有限，为获得S-N曲线时，从一个低量级的振幅逐渐增加。注：硅结构的疲劳试验理论和分析参见附录C.附录D。金属材料试验的详细信息参见GB/T24176在b)和c)中，试验振幅降低或增加的步距宜优先选择接近于测量参考强度时振幅的标准偏差。4.5.2载荷比
试验方法的载荷比为一1。
4.5.3振动频率
振动频率为试验部位在共振模式下的频率，或接近它的频率。4.5.4波形
在不考虑实际波形的情况下，样品的位移波形和试验部位的应力、应变的波形可视为正弦波4.5.5试验时间
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试验步骤
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b）瞬时疲劳试验瞬时疲劳试验中，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3
GB/T38447—2020
上升至样品失效。
c）模拟或理论分析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值增长率。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4.6.6数据记录
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和频率以及样品失效时间。
试验报告
试验报告包括但不限于以下信息：a）执行标准；
b）样品材料；
样品制作方法和细节；
样品的形状和尺寸；
试验环境；
试验设备；
试验条件；
试验结果。
A.1样品
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GB/T38447—2020
样品由柔性梁试验结构和干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。其摄器
激据智
图A.1样品的显微图像
试验部位由含有宽度10um，长度30um，宽度5umSOl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位中，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。A.2试验设备
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。5
GB/T38447—2020
弱动器
微振器
振荡波形监控器
示波器
格感器
白动增益控制
振输山
图A.2试验设备框图
振荔电路
电瞻控制
插率电压转化器
频率输出
为了并行工作，可制作多套试验设备。当电源和电路板接人时，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V=20V～V=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）。A.3试验条件
由于难以测量静态强度，在试验系统中，样品的参考振幅通过初步的疲劳试验确定。在显微镜下观察振幅，两边的位移是相同的。振动频率通过频率-电压转换器测量。频率试验过程中，频率变化高于分辨率（约200Hz)的点不被记录。试验时间为168h。试验过程中，将样品放置于温湿度可控的箱内，温度23.0℃土0.1℃，相对湿度为49%51%。
A.4初测
GB/T38447—2020
初始测量是测量样品的共振频率。测量过程中，振动的振幅保持在寿命试验的最低振幅点以下，因此可认为不影响试验结果。在初测期间，测试所有样品的共振频率，没有出现样品振动的失效GB/T38447—2020
B.1样品
附录B
（资料性附录）
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4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张敏电即（负极性）压缴出阻
压被出阻（正极性）
a）悬臂梁
压微出阻（正极性）
敏电肌<负极性
图B.1样品的结构
b）双端固支梁
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500μm，宽200μm，厚20μm。测量样品的共振频率为8.5kHz~8.9kHz。B.2试验设备
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，二个多层压电激振器作为激振器。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。8
B.3试验条件
尔波器
振动波形控测器
驱动器
据动计
锁扣环屯路
白动塔益控制器
够考悟佗
出幅估
电脑控制
图B.2试验设备方框图
试验在60%～95%的参考振幅范围内进行放人器
GB/T38447—2020
频率 电压
转化器
输山功率
在固有频率下进行疲劳特性试验。在某些情况下，较大的振幅内发生非线性振动，试验也以略低于共振频率的频率进行。
试验时间为35h（约10°循环次数）。样品被放置在温湿度可控的洁净室内温度23.0℃士0.5℃，相对湿度（50土1)%]，或放置在密闭容器中。试验时的条件为：
a）使用干燥剂达到低湿度空气[干燥的空气，温度23.0℃士0.5℃，相对湿度（50士1)%]；b）氮气流低湿度氮气：温度23.0℃士0.5℃，相对湿度（50士1)%；c）通过蒸馏水的氮气流[温度23.0℃士0.5℃，相对湿度（50士1)%。B.4初测
参考强度的测量可有两种方法。第一种方法是静态试验，在静态试验下，硬度计压头压在质量块中心诱导失效。第二种方法是通过试验设备逐渐增加振幅，然后测出失效点下的强度在样品的频响试验中，来自驱动器的信号施加在激振器上并进行测量。所有样品的共振频率都被确定。此外，自振和稳定性在很短的时间内通过连接反馈电路的样品得到确认（约1min）。
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中华人民共和国国家标准
GB/T38447—2020
微机电系统（MEMS）技术
MEMS结构共振疲劳试验方法
Micro-electromechanical system technology-Fatigue testing method ofMEMS structure using resonant vibration2020-03-06发布
国家市场监督管理总局
国家标准化管理委员会
2020-07-01实施
GB/T38447—2020
规范性引用文件
术语和定义
试验方法
试验设备
试验环境
样品要求
试验条件
试验步骤
试验报告
附录A（资料性附录）
附录B（资料性附录）
附录C（资料性附录）
附录D（资料性附录）
参考文献
集成激振和检测结构静电器件的试验示例外部驱动和集成应变结构（检测位移)器件的试验示例基于帕里斯(Paris)定律和韦伯（Weibull)分布的脆性材料疲劳寿命理论表达式
分析示例·
本标准按照GB/T1.1-2009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。GB/T38447—2020
本标准起草单位：北京大学、中机生产力促进中心、北京智芯传感科技有限公司、沈阳国仪检测技术有限公司、浙江博亚精密机械有限公司、中北大学、北京必创科技股份有限公司。本标准主要起草人：张威、张亚婷、于振毅、陆学贵、朱悦、石云波、李海斌、程逸轩、周浩楠、陈得民。I
1范围
微机电系统（MEMS）技术
MEMS结构共振疲劳试验方法
GB/T38447—2020
本标准规定了MEMS结构共振疲劳试验的试验方法，包括设备、试验环境、样品要求、试验条件和试验步骤。
本标准适用于MEMS结构的共振疲劳试验规范性引用文件
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，仅注日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/T2298机械振动、冲击与状态监测词汇GB/T10623金属材料力学性能试验术语GB/T26111
术语和定义
微机电系统（MEMS）技术术语
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
referencestrength
参考强度
静态强度或瞬时破坏强度。
试验方法
4.1总则
通过对样品施加预期振动幅值的共振振动进行疲劳试验。当样品失效或达到预定的试验时间或次数时，试验结束。
4.2试验设备
4.2.1概述
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（以下GB/T38447—2020
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。试验部价
激拔器
控制器
位移或成变
拾凝传感器
振幅利额率
记录仪器
图1试验系统框图
4.2.2激振器
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，静电、压电、热和电磁激振器等。激振器也可安装在样品中。4.2.3拾振传感器
拾振传感器能够测量样品的运动以确定样品试验部位的振幅。4.2.4控制器
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：
闭合回路法——
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。
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。开环控制法
在整个试验中，频率和幅度的稳定性应保持在所需值的3%内。4.2.5记录仪器
记录仪器用于监测和采集试验数据或波形曲线。4.3
试验环境
温度：15℃~35℃；
相对湿度：20%~80%；
大气压力：86kPa~106kPabzxz.net
4.4样品要求
4.4.1共振特性
样品在共振频率下，没有其他接近于试验的共振模式。2
4.4.2试验部位
当达到一定应力时，样品有一个试验部位会引起其失效。4.4.3样品制备
GB/T38447-—2020
样品制备方法应与用于评估目标的制造方法相同，且两者的形状、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和检测振幅的样品：附录B的B1给出了一种仅用于检测振幅的样品4.5试验条件
4.5.1试验振幅
试验振幅根据样品的参考强度确定。参考强度通过4.6.1的方法确定。在试验过程中，可用下列方法之一确定试验振幅：
a）100%参考强度的恒定振幅：在一定振幅下评估疲劳寿命；b）从一个高量级的振幅逐渐降低：在很短的时间内获得S-N曲线；c）当样品的数量有限，为获得S-N曲线时，从一个低量级的振幅逐渐增加。注：硅结构的疲劳试验理论和分析参见附录C.附录D。金属材料试验的详细信息参见GB/T24176在b)和c)中，试验振幅降低或增加的步距宜优先选择接近于测量参考强度时振幅的标准偏差。4.5.2载荷比
试验方法的载荷比为一1。
4.5.3振动频率
振动频率为试验部位在共振模式下的频率，或接近它的频率。4.5.4波形
在不考虑实际波形的情况下，样品的位移波形和试验部位的应力、应变的波形可视为正弦波4.5.5试验时间
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试验步骤
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b）瞬时疲劳试验瞬时疲劳试验中，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3
GB/T38447—2020
上升至样品失效。
c）模拟或理论分析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值增长率。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4.6.6数据记录
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和频率以及样品失效时间。
试验报告
试验报告包括但不限于以下信息：a）执行标准；
b）样品材料；
样品制作方法和细节；
样品的形状和尺寸；
试验环境；
试验设备；
试验条件；
试验结果。
A.1样品
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GB/T38447—2020
样品由柔性梁试验结构和干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。其摄器
激据智
图A.1样品的显微图像
试验部位由含有宽度10um，长度30um，宽度5umSOl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位中，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。A.2试验设备
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。5
GB/T38447—2020
弱动器
微振器
振荡波形监控器
示波器
格感器
白动增益控制
振输山
图A.2试验设备框图
振荔电路
电瞻控制
插率电压转化器
频率输出
为了并行工作，可制作多套试验设备。当电源和电路板接人时，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V=20V～V=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）。A.3试验条件
由于难以测量静态强度，在试验系统中，样品的参考振幅通过初步的疲劳试验确定。在显微镜下观察振幅，两边的位移是相同的。振动频率通过频率-电压转换器测量。频率试验过程中，频率变化高于分辨率（约200Hz)的点不被记录。试验时间为168h。试验过程中，将样品放置于温湿度可控的箱内，温度23.0℃土0.1℃，相对湿度为49%51%。
A.4初测
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初始测量是测量样品的共振频率。测量过程中，振动的振幅保持在寿命试验的最低振幅点以下，因此可认为不影响试验结果。在初测期间，测试所有样品的共振频率，没有出现样品振动的失效GB/T38447—2020
B.1样品
附录B
（资料性附录）
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4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张敏电即（负极性）压缴出阻
压被出阻（正极性）
a）悬臂梁
压微出阻（正极性）
敏电肌<负极性
图B.1样品的结构
b）双端固支梁
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500μm，宽200μm，厚20μm。测量样品的共振频率为8.5kHz~8.9kHz。B.2试验设备
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，二个多层压电激振器作为激振器。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。8
B.3试验条件
尔波器
振动波形控测器
驱动器
据动计
锁扣环屯路
白动塔益控制器
够考悟佗
出幅估
电脑控制
图B.2试验设备方框图
试验在60%～95%的参考振幅范围内进行放人器
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频率 电压
转化器
输山功率
在固有频率下进行疲劳特性试验。在某些情况下，较大的振幅内发生非线性振动，试验也以略低于共振频率的频率进行。
试验时间为35h（约10°循环次数）。样品被放置在温湿度可控的洁净室内温度23.0℃士0.5℃，相对湿度（50土1)%]，或放置在密闭容器中。试验时的条件为：
a）使用干燥剂达到低湿度空气[干燥的空气，温度23.0℃士0.5℃，相对湿度（50士1)%]；b）氮气流低湿度氮气：温度23.0℃士0.5℃，相对湿度（50士1)%；c）通过蒸馏水的氮气流[温度23.0℃士0.5℃，相对湿度（50士1)%。B.4初测
参考强度的测量可有两种方法。第一种方法是静态试验，在静态试验下，硬度计压头压在质量块中心诱导失效。第二种方法是通过试验设备逐渐增加振幅，然后测出失效点下的强度在样品的频响试验中，来自驱动器的信号施加在激振器上并进行测量。所有样品的共振频率都被确定。此外，自振和稳定性在很短的时间内通过连接反馈电路的样品得到确认（约1min）。
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