利用频闪成像方法进行微机电系统的计量

　　1　简　介

　　微机电系统(MEMS)器件已被应用在日常产品中,像汽车中的安全气囊传感器、血压监测器和投影仪等,而且正在开发实现更多不同的应用。将大器件缩小到显微尺寸,对生产者提出的一个挑战就是器件的健壮性和整体性能会受到亚微米级的缺陷或是加工过程变化的影响[1]。正确测量MEMS表面、几何形状和运动特性对于实现正确的性能是必需的。可靠性问题是MEMS产品进入不同工业应用的一个主要障碍,有专业人士估计MEMS计量的成本可以达到最终器件成本的30%。当MEMS器件从实验室走向大规模生产时,实现预期的结果不仅需要在器件加工前知道准确的器件行为模型,还需要在生产中进行简单、准确和费用低廉的计量测试。MEMS设计和加工需要强大的测量工具来保证其性能与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(见图1)。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、可靠性估计等。对于微谐振器、微陀螺仪、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,因此它们需要具有完全表征系统能力的、灵活的硬件和软件设备。

　　2　MEMS对计量的要求

　　对于大多数MEMS器件,一些关键的测量参数可以被静态测量,如表面形状、粗糙度和特有结构的相对高度和位置。其他的静态参数则对于一些器件来说是重要的,如微镜阵列中的曲线半径与驱动电压的关系、压力传感器中振动膜的半径及其加载时的变形情况、微通道中管道的深度和宽度或是加速度计中交叉悬臂梁的相对高度。在某些情况下,特别是在像空间光调制器这样的阵列器件中,必须计算器件上每一个结构相对于其他结构的三维位置来保证实现正确的功能。除了这些静态参数,许多MEMS器件的动态特性也必须计算,包括转换和稳定时间、共振频率,以及当器件工作在不同频率时这些静态参数的变化。在MEMS产品的各个阶段对于计量测试有着不同的要求,见表1。

　　从以上考虑,MEMS的计量工具应该具备以下特征:1)无损测量,不改变MEMS器件的集成性和机械力学属性;2)具有大的测量范围和高的空间分辨力;3)可以进行静态和动态测量,以及面内和离面运动测量;4)能够实现直接在晶片或器件上测量;5)测量可以量化并且可靠性强,对环境(温度、气流、振动等)变化引起的机械漂移和干扰不敏感。

　　3　现有的MEMS测量方法

　　现有很多方法可以用来测量MEMS器件的动态特性和静态参数。以前人们采用激光测振仪、频闪全息技术,以及利用模糊包络的亮场测量方法测量动态特性[2~4]。激光测振仪提供了表面上单点的快速信息,一般水平分辨力大约为1μm,但是必须通过表面扫描来构建器件运动的完整图像,并且它只对与激光束垂直方向的运动敏感。全息方法通常是全场的,但是需要为每一种类型的测量器件构建和对准全息图像,时间长、成本高,垂直方向的范围一般只有几个微米。采用显微镜的亮场模糊跟踪方法,一般是定性分析,只能提供器件的水平运动信息。