MEMS中微结构动态测试技术进展

　　0　引言

　　为了开发适宜于大批量生产的可靠的微机电系统(MEMS),先进测试技术与装置的研制已经成为MEMS发展的迫切需要。

　　在设计和开发MEMS时,由于系统功能主要是通过微结构的微小位移和变形来实现的,需要测量微机械部件的动态性能,因此对MEMS的机械运动参数如位移、速度、振幅、频率和振动模态等进行精确测量已成为开发MEMS的重要内容。MEMS的测试方法和技术已成为MEMS设计、仿真、制造及质量控制和评价的关键环节之一。

　　目前, MEMS结构静态表面形貌和尺寸测量技术已经有了很大发展,测量范围从纳米到微米。微机械几何量分布在亚微米到10mm之间,在该测量区域,显微视觉测量方法是较为有前景的计量测试方法和手段之一[1,2]。而相应的MEMS结构动态性能测试技术则相对较为落后,发展较为缓慢。由于MEMS尺寸小、质量小、微机械部件运动的幅度小、测量时需要非接触无损测量等特点,使得传统的动态测量手段难以满足这些要求,从而对测试技术提出了新的要求。光学测试方法由于其具有非接触测量,高的定位、测试精度和快速的优点,在MEMS测试中得到了广泛的应用。

　　1　频闪显微干涉系统

　　图1为Hart等[3,4]设计的频闪干涉系统(stro-boscopic interferometer system, SIS)示意图,用于测试MEMS动态特性。利用频闪照明使周期运动的微结构“静止”,通过对照明控制信号的相位微调,获得运动结构处于不同相位的“静止图像”,对这一系列静止图像进行分析就可以得到相关的运动参数。

　　Hart系统的核心是一个由偏振光束分光器形成的Twyman-Green干涉仪,光源是波长为658nm的激光二极管。系统通过一个可转半波片(HWP)在光束进入偏振光束分光器(PBS)前改变其极化角,以获得高对比度的干涉条纹。在干涉仪的每条光路中均有一个1/4波片,保证试样和参考镜的反射光线进入CCD阵列表面形成干涉图,通过对干涉图样的分析处理获得被测结构的位移、变形、固有频率和振型等动态特性。参考镜安装在压电工作台上,工作台通过电容微位移传感器实现反馈闭环,控制参考镜作微小移动,从而在测试过程中精确地产生相移为π/2的系列干涉图。

　　MEMS装置安装在压电晶体振荡台上,由计算机控制激励MEMS微结构。

　　该系统将MEMS结构装夹在干涉仪的测试光路中,通过调整在CCD阵列表面成像,获得由于结构表面高度变化而产生的明暗相间的干涉条纹图。当被测目标静止时,干涉图不会随时间变化,如果目标是运动的,则相应干涉图的相位不仅是空间坐标的函数,而且还是时间的函数。在讨论与时间相关的试样表面高度时,使用积分检波器在时间间隔Δt观测干涉条纹,则被测光强就可以表示为对时间间隔Δt的积分。控制压电台作微小移动,获得具有不同相位的一组(5幅/组)相移干涉图,使用相移干涉测量(phase-shifting inter-ferometry, PSI)算法,就可以从这一组干涉图中提取表面高度信息。