MEMS显微干涉测量系统中相位提取算法的选择与分析

　　微机电系统(MEMS)的设计和加工过程需要强大的测量工具来保证器件的性能和设计者的初衷相一致,并在工程开发中提供数据反馈.测量对象包括了器件的材料力学属性、三维形貌、动态特性以及可靠性估计等.随着MEMS器件趋向商业化,对MEMS设计中关键微结构测量的低公差要求越来越严格;特别是几何量测量(例如薄膜厚度和空气间隙高度),它在最终器件的执行特性(谐振频率、转换电压等)中扮演一个重要的角色[1-2].因此,研究用于MEMS几何量测量的简单、准确和费用低廉的高精度测试方法和系统是十分必要的.由于微结构具有尺寸小的特点,非光学测试方法一般都要求测试装置与被测对象发生接触或在被测结构上附加相应的传感换能元件,这会影响微结构的完整性和机械特性.光学测试技术具有非接触、快速和高精度等优点,可实现全视场测量,能够满足微几何量测试的基本要求[3].本文系统采用了相移显微干涉方法,通过对4种常用相位提取算法的比较,选定了5帧Hariharan算法,并通过对台阶高度标准的测量实验进行了验证.

　　1　相移显微干涉测量原理

　　显微干涉测量的测量分辨力最高可达到亚纳米量级,适合进行MEMS上微结构几何量的测量.系统通过处理采集得到的干涉条纹图,得到被测器件的三维形貌信息.条纹图可以通过两种方式进行分析:一类是基于条纹的快速分析方法;另一类是基于相位的高精度分析方法.本文选用基于相位的条纹分析方法.

　　1·1　基于相位的条纹自动分析方法

　　它是一种时间域测量方法,是指对于被测物体的每一个状态,需一定时间间隔采集足够信息以获得相位,这对动态过程的相位测量有所限制.由于采用时间参数,相位的检测简化为在时间坐标上读取正弦变化相位;同时,探测点的空间坐标固定.其中外差法(HM)精度最高(约λ/1 000,λ为波长),但测量过程复杂;时间相移法(TPM)测量简便,也有很高的精度(约λ/100).基于相位的测量方法具有以下优点[4]:①可精确确定光场上任何位置的相位,实现了全场测量;②测量精度高;③许多相位测量方法处理过程简单,可实现测量自动化,有利于其在工业生产中应用;④当视场内条纹小于1条、无法使用条纹中心法提取信息时,仍可测量出相位值.MEMS测量系统中采用时间相移方法,利用压电陶瓷(PZT)作为相移元件,通过调整测量臂的长度(物镜和被测样品间的距离)实现高精度相移.

　　利用基于相位的方法进行表面高度测量时,从图像信息中得到的数据是表面相位信息,它和表面高度信息具有一定的对应关系,需要经过相位-高度转换才能得到每个探测点的离面高度数据.其转换公式为