結構動態量測

這 邊 主 要 藉 由 國 家 晶 片 中 心 (CIC) 的 微 機 電 動 態 分 析 儀 (MEMS Motion Analyzer, MMA)來量測加速規結構的模態響應，進而換算成彈簧常數來跟模擬作 比較，並且在雙軸加速規部分，來驗證對稱式懸吊的雙軸共振頻率相等。

而在機台參數設定的部分，我們使用 10 倍的鏡頭，並給予壓電致動器 30V 的正弦波訊號，取 15 個 phase 作量測。

單軸加速規部分，Y 方向(感測軸)量測到之共振頻率為 5500Hz，如圖 72 所 示，而 ANSYS 模擬之值為 7800Hz；而 X 方向(非感測軸)量測到之共振頻率為 13000Hz，如圖 73 所示，模擬之值則為 17300Hz。由於單軸加速規希望盡量減 低耦合效應，所以會將感測軸與非感測軸之共振頻率拉大，而感測軸方向之彈簧 常數值會比較小，其共振頻率也較小。而實際量測與模擬有段差距，則是推測可 能有如下誤差：模擬材料參數設定(楊式係數、浦松比、密度等)、製程誤差、殘 留應力、模擬模型等。

圖 72 Y 方向(感測軸)頻率響應

圖 73 X 方向(非感測軸)頻率響應

雙軸加速規部分，這邊由於雙軸加速規使用線圈型對稱式懸吊，所以預期雙 軸之彈簧常數值會相等，即共振頻率也會相等。而量測結果，Y 方向為 3700Hz

Y 方向也一樣為 5200Hz。所以證明使用對稱式懸吊時，雙軸之共振頻率可以完 全相等，即彈簧常數值應為一樣。唯實驗結果與模擬還是有誤差存在。

圖 74 Y 方向頻率響應

圖 75 X 方向頻率響應

4.4.3 對稱式懸吊與非對稱懸吊比較

為了更進一步驗證線圈型對稱式懸吊，我們設計了懸吊的測試模型，其都採 用了線圈型的設計，但藉由擺放方式的不同而分為對稱式以及非對稱式，如圖 76，

對稱式懸吊因為其對整個質量塊的中心為一 90 度的點對稱，故雙軸的彈簧常數 會永遠相等，且不會因為製程因素而有改變。而在尺寸設計上，因其為幾何上的 對稱，所以任何尺寸設計都可以達到雙軸相等；但在非對稱式的部分，其雙軸的 彈簧常數則必頇靠尺寸上的設計來讓雙軸相等，例如必頇在一個固定的懸吊寬度 和間距之下，找到一特定的摺疊數來得到雙軸相等的數目，但這很容易因為製程 因素而跑掉使得雙軸彈簧常數值又有差異，如圖 77。

圖 76 線圈型對稱式(左)以及非對稱式(右)懸吊測試模型

圖 77 在固定一懸吊寬度和間距下，對稱式及非對稱式懸吊 K 值比較

懸吊的測試模型部份，我們規劃了寬度 2um、間距為 3um 並且纏繞 7 圈的 懸吊，來定義為原始沒有經過製程誤差的值如圖 78，而另外畫了差距 0.2um 以 及 0.4um 的光罩來當作經過製程誤差的值。這邊所謂製程誤差 0.2um 代表寬度變 成 2.2um，但間距變成了 2.8um，如圖 79 所示。

圖 78 原始尺寸(沒有製程誤差)

圖 79 製程誤差 0.2um

我們預期對稱式懸吊雙軸的共振頻率將會相等，且不會受製程誤差的影響；

而非對稱式懸吊則不會完全相等，且會因製程誤差影響而有差距。並使用 ANSYS 分別做各種尺寸的模擬，這裡並考慮到實際製程誤差：用 SEM 量測過每個懸吊

部分的真實尺寸，再用這個真實尺寸來做模擬，來反應實際量測的情況。而模擬 結果如下表 6 所示，我們可以看到對稱式懸吊雙軸共振頻完全相等，而非對稱 式則會因製程誤差而越差越多。其中由於光罩面積問題，對稱式懸吊 2.2um 的模 型沒有空間可以放，所以這裡並沒有對稱式 2.2um 的數據。

表 6 各種尺寸下模擬結果，括號內為光罩設計尺寸：

使用 MEMS Motion Analyzer (MMA)量測每個測試模型之後，我們從結果一 樣可以看到對稱式兩軸的共振頻率完全相等；而非對稱式兩軸則是會不一樣，且 會因為製程的誤差而差距變大，如下表 7。但實際量測的結果大概會比模擬大概 小 11%，這邊推測應該是模擬材料參數設定(楊式係數、浦松比、密度等)、製程 誤差、殘留應力、模擬模型等幾個問題而造成的誤差。

表 7 各種尺寸下量測結果，括號內為光罩設計尺寸：

率差值的關係圖，可以更明顯看出，對稱式懸吊兩軸共振頻率相等(相減為零)，

且不受製程誤差的影響；而非對稱式懸吊則因製程誤差越大而相差越多。

圖 80 製程誤差對雙軸共振頻率差值關係圖

將量測到的共振頻率可藉由 w=√(k/m)，來算出每種懸吊的彈簧常數值，最 後我們即可證實非對稱懸吊雙軸彈簧常數差異隨製程誤差而越大；而對稱式懸吊 雙軸則可完全相等，且不受製程誤差的影響，如下表 8。

表 8 兩軸相差 K 值的模擬與量測比較，括號內為光罩設計尺寸：