集成光栅干涉微位移测量方法

　　微位移测量技术广泛用于精密计量及微机电系统(micro electro mechanical system，MEMS)，通过测量位移可以间接检测到很多物理量，如加速度、压强和应力等.随着MEMS 技术的发展，将光栅干涉技术与 MEMS 结合的集成光栅干涉微位移测量方法近年来得到越来越多的关注.Manalis 和 Yaralioglu 等[1-2]在研究原子力显微镜(atomic force microscopy，AFM)时率先将此方法用于测量悬臂梁的偏转.这种位 移 检 测 方 法 可 以 实 现 很 高 的 分 辨 率 ( 10 5nm/Hz0.5)，已被用于高分辨率加速度计[3-4]，加速度分辨率可达到 40 ng/Hz0.5(40 Hz)(g 为重力加速度).Hall 等[5-6]提出了一种改进的结构，采用表面工艺制作，已应用于微型麦克风上.

　　笔者结合国内工艺条件，利用体硅工艺制作了集成光栅干涉微位移敏感芯片，并搭建了测试系统，测试了其微位移检测性能.

　　1 结构方案的比较

　　图 1(a)所示为 Manalis 等提出的用于 AFM 的集成光栅干涉位移检测结构，可动梳齿位于带针尖的悬臂梁上，参考梳齿与悬臂梁的支撑部分固连.图1(b)所示为衍射示意图，可动梳齿和参考梳齿成相位敏感衍射光栅，当相干光束入射到光栅上时，可动和参考梳齿反射入射光并干涉形成多级衍射光束，这些光束的强度 I 与可动梳齿和参考梳齿的相对位移 d 成正弦或余弦关系.Hall 等提出的改进结构如图 2 所示，在透明基底上利用金属制作参考光栅，导电薄膜作为可动反射面，形成相位敏感光栅.在薄膜和参考光栅电极之间采用静电驱动，使这种结构能够调节薄膜和光栅的间距.

　　采用图 1 和图 2 所示的两种方式均可以实现对微小位移的检测，但是这两种方式所能得到的灵敏度存在差异.由于光强与位移为正弦(或余弦)关系，故光强对位移的 1 阶导数(即光强随位移变化的灵敏度)为余弦(或正弦)函数.以 1 级衍射光为例，其光强 I 与位移 d 的关系为

　　由式(2)可知，当 d 等于 λ/8 的奇数倍时，光强对位移变化的灵敏度最大.在图 1 所示的方式下，初始的灵敏度由制造工艺和重力等共同决定.而图 2 所示的方式通过引入静电吸引来调节光栅与反射面的间距，能够方便地调节检测灵敏度，并且可以进一步引入反馈以增大量程.

　　两种结构形式中，在间隙改变的同时反射面会发生倾斜或弯曲变形，这会影响到衍射光斑的质量.

　　2 测量原理

　　图 3 所示为笔者所采用的集成光栅干涉微位移测量的原理图.

　　根据前面对于两种结构形式的比较，本文选择图2 所示的方式.由于图 2 所示的反射面在位移改变的同时还有倾斜或弯曲变形产生，笔者对此做了改进设计：反射面位于可动部件底部，可动部件的厚度远大于支撑梁，使可动部件产生位移时保持平动，不影响光斑的品质.可动部件通过支撑梁与固支结构连接.固支结构与带有光栅和电极的玻璃基底键合在一起.入射激光照射到光栅上，一部分光由光栅条直接反射;另一部分通过光栅间隙照射到可动部件上的反射面，然后反射回来，这部分光相对于直接由光栅条反射的光具有 2k0d 的相移(k0=2π/λ).这两部分光干涉形成衍射光斑.衍射光的强度与可动部件和光栅的间隙有关，对于 0 级和 1 级衍射光，其光强 I 与间隙 d 的关系分别为