MEMS显微干涉测量系统中相移器性能的研究

　　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. 这个反馈信息包括了器件的材料属性、三维结构、动态特性、表面形貌、可靠性估计等等. 对于微谐振器、微陀螺、微加速度计、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 研发过程中具有极为重要的地位.

　　目前有许多研究小组正致力于开发MEMS 器件的自动表征工具, 用于它的动态特性分析. 英国New cast le 大学的J S Burdess 等人设计了一种全自动测量系统[ 1] , 利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M RHart 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, 达到纳米级精度; 美国Sandia 国家实验室的G FLaVigne 等人将图像分析技术和频闪光源结合起来研究可动MEMS 器件的可靠性[ 3] ; 美国MIT 的DM Freeman 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D J Bur ns等人提出了一种用于MEMS 器件自动光电表征的系统[ 5] . 我们利用相移干涉技术构建了MEMS 动态测试系统, 系统采用了虚拟仪器的先进结构, 实现了更大的灵活性. 该测试系统包括: 1) 一个显微干涉仪, 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, 生成一系列测试报告. 本文主要分析了显微干涉仪中的重要组件-相移器的性能, 并采用H ar iharan 算法在开环和闭环两种条件下对纳米标准台阶进行了测量.

　　1 相移干涉测量

　　1. 1 时间相移干涉分析方法

　　干涉条纹图可以通过不同的方式进行分析, 大体上分为两大类: 一类是基于条纹的分析方法; 另一类是基于位相的分析方法. 其中基于位相的分析方法具有更高的精度.

　　相移干涉方法属于基于相位的分析方法, 早在1966 年, P Car rÜ 就提出了时间相移干涉( T PM) 的基本思想[ 6] , 他所设计的四步等步长算法是目前最常用的算法之一, 但由于当时技术水平和设备条件的限制, 未能得到进一步发展. 1974 年, J H Bruning等人详细描述了TPM 的原理[ 7] , 采用压电陶瓷作为相移元件, 在Tw yman-Gr een 干涉仪中推动用于反射参考光的镜子, 以改变参考光的光程. Bruning利用该系统测量了光学平面、透镜的外形, 首次完整报导了一套波面自动测量系统. Bruning 的工作被认为是相移技术的发端, PZT 是目前应用最广的引入相移的方法, 文中用于计算位相的同步探测算法也是目前应用最多的算法之一. 至今, TPM 的研究也非常广泛, 产生相移的方法也达十种左右. 相移算法也非常之多, 甚至出现了许多相移算法的推导方法, 研究人员可根据这些方法自己设计合适的算法[ 8] . 近十年来, 光电技术、计算机技术和激光技术的发展, 使得这一技术得到更快的发展, 并在光学元件质量检测、全息、散斑干涉计量等中得到广泛应用[ 9] .