频闪干涉仪在微机电系统动态表征中的应用

　　MEMS设计和加工需要强大的测量工具来保证它们的性能和设计者的初衷相一致,并且在工程开发中给设计和加工过程提供反馈信息.这个反馈信息包括器件的材料属性、三维结构、动态特性、表面形貌和可靠性估计等.对于微谐振器、微陀螺、微加速度计和光开关等一些具有可动部件的MEMS器件,其动态特性决定了MEMS器件的基本性能.因此,MEMS动态特性的测量在MEMS研发过程中占有极为重要的地位.

　　目前,许多研究小组正致力于开发MEMS器件的自动表征工具,用于对其进行动态特性分析.英国Newcastle大学的Burdess J S等人设计了一种全自动测量系统[1],应用激光多普勒效应测量MEMS结构的动态特性;美国加州大学Berkeley分校的HartM R等人提出了一种计算机控制的频闪干涉系统[2],用来测量MEMS结构的离面运动和变形,达到了纳米级精度;美国Sandia国家实验室的LaVigne G F等人将图像分析技术和频闪光源技术结合起来研究可动MEMS器件的可靠性[3];美国MIT的Freeman D M等人开发了一种计算机微视觉系统用于MEMS的表征[4];美国空军实验室的BurnsD J等人提出了一种用于MEMS器件自动光电表征的系统[5].

　　笔者利用频闪相移干涉技术构建了一个MEMS动态测试系统,该技术是相移干涉术和频闪照明的有机结合,系统采用了虚拟仪器的先进结构,可实现更大的灵活性.为了实现运动器件的特性测量,该测试系统需要包括:①一个频闪显微干涉仪,用来同时记录多点处的运动,而无需进行逐点扫描测量;②一个集成的计算机控制和数据采集系统,用来实现测量过程的自动化;③一个数据分析软件包,离线处理采集得到的图像数据,并生成一系列测试报告.

　　1　相位检测方法

　　1.1　相移干涉算法

　　如果将CCD摄像机阵列平面的坐标记为(x,y),可以写出干涉图样任意点光强I(x,y)的计算公式,

式中: A (x, y)为表征干涉条纹平均光强的函数;B(x,y)为决定干涉信号调制度的函数;(x,y)为表征器件表面高度变化的解包裹相位θ(x,y)的函数;相位φ为一个常量,可以通过纳米定位器调整物镜与样品间的轴向位移控制.

　　利用在不同φ值条件下测量的一系列I(x,y)值,笔者采用了一种称为相移干涉的技术,可以提取出包含在I(x,y)中的表面高度信息.在实验中,采用了5幅图像的序列I1(x, y), I2(x, y), I3(x, y), I4(x, y),I5(x,y),得出包裹相位(x,y)的公式为

　　这里为了简化,省略了(x,y).该算法中每进行一次数据采集需要改变π/2相位.改进后的算法对相移器的误差和探测器的非线性误差具有很好的抑制作用,提高了测量精度.

　　1.2　相位解包裹算法