MEMS的光学检测方法和仪器

　　1　引　言

　　微电子机械系统(MEMS)是指采用微机械加工技术、可以批量制作的和集微型传感器、微型机构、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口、通讯等于一体的微型器件或微型系统。MEMS作为在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的新兴学科,它以微电子及机械加工技术为依托,范围涉及微电子学、机械学、力学、自动控制学、材料科学等多种工程技术和学科。

　　目前国内外对MEMS的研究取得了一定的进展,MEMS广泛的用于各种产业领域,如信息工程、分析化学、航天航空、科学仪器、生物医学、汽车、国防等。已开发的MEMS产品包括微型马达、微型压力传感器、微型加速度计、微型机械陀螺仪、微型光学电子机械系统、光开关、生物化学芯片等,有些成熟的产品已经产业化。

　　MEMS从设计到封装的各个环节都要贯彻测试的要求。在MEMS研究的整个过程中,存在着大量的测试项目。由于MEMS的尺寸小、质量小、易受环境影响等特点,对测试提出了新的要求。目前在高校和研究机构里,开发了许多MEMS的实验室样品。为了能把这些样品进行工业化的批量生产,还存在着许多问题。为了解决这些问题,对测试方法和工具提出了更高的要求。

　　MEMS测试的主要目的是在工程发展中对设计和仿真过程提供反馈,包括装置行为、系统参数和材料特性等。本文在综合了大量国内外文献的基础上,分析和介绍了用于MEMS测量中的光学检测方法和仪器。

　　2　用于MEMS测量中的光学检测方法

　　动态的微电机系统的成熟化设计使得精密测量和用视觉方法来描述动态微机构显得越来越重要。

　　(1)美国加州大学伯克利分校的传感器和执行器中心开发了频闪显微干涉系统[1],能在同一次实验中测量同一平面和不同平面的运动,其测量精度优于5nm。结构静止或者以1MHz频率振动的不在同一平面的偏移可在纳米精度下记录。该系统可用来研究微机械装置中的复杂机械模型的激励。频闪干涉仪能形成MEMS装置的图像,用黑白边缘来解释物体表面高度的轮廓。

　　为了测量静态样品或运动样品的形状,用闪光灯定格,采用了相移干涉仪。采用五步相移干涉仪运算法则(Hariharan公式),样品的干涉图在五个不同的反射镜位置被视觉化五次。表面高度图由仪器的分析软件来计算。

　　系统如图1所示。成像干涉仪不是采用逐点扫描方法,而是采用同时在很多点上记录的并联方法。集成的计算机控制和数据采集单元能够自动测量,分析软件从获得的数据中产生保留时间的表面高度图,系统在几分钟内产生详细的微结构动态图。脉冲激光二极管作为频闪光源允许在千赫兹频率的大振幅行为下进行测量。Matthew R Hart等人用该系统测量了多晶硅表面微机械扫描镜的动态特性[2];Christian Rembe等人用该系统测量了自适应光学微镜的动态特性[3];Richard S Muller等人用该系统测量了万向接头的静电微执行器的全三维运动特性[4],创新之处在于第一次在同一次实验中既测量了刚体同一平面的活动,同时又能测量振动装置表面不在同一平面的偏移图。