基于时间平均干涉法的微结构离面运动测量

　　对于微谐振器、微陀螺、微加速度计以及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[1-2].

　　美国空军研究实验室的D J Burns等人采用模糊图像分析技术实现了MEMS面内运动纳米级分辨力的高精密测量[3].系统采用连续光照明，采集器件静止状态时的一帧清晰图像和运动稳态时的一帧模糊图像，通过采用最小二乘算法将静态图像匹配成运动模糊图像的方法，达到面内运动幅度的测量，进而推算出器件的谐振频率和品质因数等参数.这种技术的特点是测量系统简单，容易实现自动化，频率测量上限不受频闪方法中光脉冲宽度的限制，而只是由测试器件的驱动系统决定.但是测量精度较频闪方法有所降低，且测试器件的运动幅度不能过低(最好在亚微米量级以上)，否则无法形成可供分析的模糊区域.

　　与模糊合成技术测量面内运动相似，离面运动幅度也可利用时间平均的干涉技术进行定量测量.当形成干涉条纹的测试表面产生离面运动时，干涉条纹变得模糊，对比度下降，通过求解影响对比度的Bessel零级函数，即可测得离面的运动幅度.这种方法测量简便，无测量频率限制，空间分辨力可达到微米量级，缺点在于测量的离面振幅一般不得大于 λ/5. 23，否则无法实现计算机自动分析.我们建立了可量化的基于时间平均技术的显微干涉仪，采用相移调制的方法从Bessel函数中求解振动幅值，系统离面探测极限为5nm左右.

　　1实验系统构建

　　光学测试系统具有和光学轮廓仪基本相同的结构(如图1所示)，它由光学显微镜配合下列设备组成:

　　(1)一个高亮度单色LED光源(波长617 nm);

　　(2)多个放大倍率的显微干涉物镜;

　　(3)一个CCD数字摄像机，像元间距为9μm,100%填充因子，连接到一个10位灰度的数字图像采集卡上;

　　(4)一个物镜纳米定位器，它包含电容位移传感器(分辩力为0. 7 nm)实现闭环控制，通过PC机的RS232接口进行控制;

　　(5)一个0~20 MHz的任意波形发生器;

　　(6)一台PC机，通过GPIB接口卡实现整个系统测量自动化.

　　2测量原理

　　系统可以通过条纹对比度的变化来快速测量MEMS器件的离面运动.为了实现从静态和动态干涉图像中得到器件的离面运动信息，本文将相移调制技术引人到时间平均的快速测量中，利用4步相移方法对MEMS器件的振动进行调制，通过计算可以得到待测MEMS器件微振动的振幅，该方法实现简单，测量速度快.

　　静止状态下，干涉图的强度分布