專利名稱：基于二極管激光器自混合效應(yīng)的mems動態(tài)測試儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光與精密測量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于二極管激光器自混合效 應(yīng)的微電子機械系統(tǒng)(Micro-electromechanical Systems, MEMS)動態(tài)測試儀。
背景技術(shù)：
近幾年，微電子機械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)在基礎(chǔ)理論研究、器件的設(shè)計制造、微系統(tǒng) 的集成應(yīng)用等方面都取得了重要的進展，但是距大范圍的批量化生產(chǎn)和大規(guī)模的應(yīng)用還有 一定的距離，而缺乏有效的測試手段是主要制約因素之一。MEMS測試技術(shù)是MEMS設(shè)計、仿 真、制造及產(chǎn)品質(zhì)量控制和性能評價的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。由于MEMS器件的典型尺寸在毫米 至微米量級，具有集成度高、運動頻率高等特點，非光學(xué)測試方法一般都要求在被測結(jié)構(gòu)上 附加相應(yīng)的傳感換能元件，會影響微結(jié)構(gòu)的完整性和機械特性，導(dǎo)致不可預(yù)計的誤差。光 學(xué)測試技術(shù)具有非接觸、快速、精度高、靈敏度高、抗干擾能力強等優(yōu)點，可實現(xiàn)大視場的測 量，能夠滿足大多數(shù)MEMS測試的要求，如Veeco公司的MEMS3500以及MEMS運動測試儀 wykoNT1100、美國圣地亞國家實驗室的MEMS可靠性測試系統(tǒng)Sh匪eR等，但通常存在體積龐 大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格昂貴等缺點。因此，有必要開發(fā)體積小、結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜的MEMS動態(tài) 測試儀器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、價格便宜的基于二極管激光器自 混合效應(yīng)的MEMS動態(tài)測試儀。 本發(fā)明的基于二極管激光器自混合效應(yīng)的MEMS動態(tài)測試儀，其特點是所述的 測試儀的激光器發(fā)出的光經(jīng)耦合透鏡耦合進光纖，經(jīng)由自聚焦透鏡、顯微鏡目鏡、顯微鏡物 鏡組成的匯聚光路將激光匯聚于被測物體上，被測物體位于能在水平面進行逐點掃描及垂 直面移動的PZT控制的三維位移臺上，探測器探測到激光器輸出的光信號后發(fā)出相應(yīng)的輸 出信號，輸出信號經(jīng)信號調(diào)理電路的調(diào)節(jié)通過信號采集系統(tǒng)采集送入信號處理系統(tǒng)進行處 理。 激光器采用單模二極管激光器，探測器采用光電二極管，光電二極管封裝在激光 器管殼的內(nèi)尾部。 信號調(diào)理電路集成有電流電壓轉(zhuǎn)換電路、放大電路及濾波電路。
信號采集系統(tǒng)由高精度采集卡及計算機組成。 本發(fā)明的基于二極管激光器自混合效應(yīng)的MEMS動態(tài)測試儀不需要參考光束，只 有一條光路，光路調(diào)節(jié)便利，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，緊湊，成本低廉。本發(fā)明中的激光自混合干涉是 在激光器腔內(nèi)實現(xiàn)的，通過外部反饋光調(diào)制激光器的輸出特性，由封裝在激光器尾部的光 電二極管探測反饋干涉信號。當物體沿著光的傳播方向移動時，激光器的輸出功率將發(fā)生 周期性的變化，變化規(guī)律與光的干涉現(xiàn)象相類似。被測物體移動半個波長時，輸出功率變化 一個周期。


圖1為本發(fā)明二極管激光器自混合效應(yīng)的MEMS動態(tài)測試儀的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2為被測物體做正弦運動時，二極管激光器輸出信號波形曲線。 圖中，l. 二極管激光器2.耦合透鏡3.光纖4.自聚焦透鏡5.顯微鏡目鏡
6.顯微鏡物鏡7.PZT控制的三維精密位移臺8.光電二極管9.信號調(diào)理電路10.信
號采集系統(tǒng)11.信號處理系統(tǒng)12.激光器輸出信號波形曲線13.被測物體運動波形曲線。
具體實施例方式
圖1為基于二極管激光器自混合效應(yīng)的MEMS動態(tài)測試儀結(jié)構(gòu)示意圖。激光器1發(fā) 出的光經(jīng)耦合透鏡2耦合進光纖3，通過光纖尾部的自聚焦透鏡4，再通過顯微鏡目鏡5準 直輸出到顯微鏡物鏡6上，將光匯聚于被測物體表面上，物體放在PZT控制的三維位移臺7 上。物體表面反射或散射的光經(jīng)上述光路反饋回激光器l內(nèi)部，調(diào)制激光器的輸出功率，通 過封裝在激光器尾部的探測器8探測信號，經(jīng)信號調(diào)理電路9將信號調(diào)整到合適水平，經(jīng)數(shù) 據(jù)采集系統(tǒng)10采集數(shù)據(jù)送入信號處理系統(tǒng)11進行數(shù)據(jù)處理就能得到MEMS部件的動態(tài)信 息。另外可以通過PZT控制位移臺7在水平面及垂直面進行移動，以得到物體的全視場信 息。 該動態(tài)測試儀的拓展性很強，通過不同的信號處理手段能夠得到MEMS部件的不 同信息。如通過傅里葉變化可以得到的速度，加速度信息；通過條紋計數(shù)法可以得到MEMS 部件的振動幅度，進而可以得到其諧振頻率和Q值；通過激光器內(nèi)出現(xiàn)的散斑效應(yīng)也可以 得到MEMS部件的運動速度及形貌特征等。下面就幾個典型應(yīng)用的測量原理及信號處理方 法做介紹。 MEMS部件運動速度及加速度的測量。當物體在光軸方向運動時，將產(chǎn)生多普勒頻 移，多普勒頻移與物體的運動速度有線性變化的關(guān)系，如下式所示 ^=1°°^
A (1) 式中的e為光軸與物體運動方向的夾角。從式(l)可以看出，只要通過一定的信 號處理方法得到物體運動產(chǎn)生的多普勒頻移，就能通過式(i)得到物體的運動速度，對速 度進行微分就能夠得到物體的加速度信息。下面通過快速傅里葉變換法測量物體的運動速
度和加速度，算法如下 1)對采集的數(shù)據(jù)進行分段處理，每段為M個點； 2)對每段數(shù)據(jù)進行加窗處理； 3)給每段數(shù)據(jù)補零，得到N點長度的數(shù)據(jù)； 4)對每段數(shù)據(jù)進行FFT處理； 5)FFT最大幅值點對應(yīng)的頻率即為多普勒頻率fD 6)通過式(1)得到物體的速度； 7)對速度進行微分得到物體的加速度； 該信號處理方法也能夠用其它的速度測量信號處理方法代替。
MEMS部件的振幅，諧振頻率及Q值的測量。二極管激光器發(fā)出的光經(jīng)匯聚系統(tǒng)匯 聚于被物體，通過物體表面反射或散射，部分光反饋回激光器與腔內(nèi)激光發(fā)生混合，調(diào)制激 光器的輸出功率和光頻。當物體沿著光的傳播方向移動時，激光器的輸出功率將發(fā)生周期 性的變化。被測物體移動半個波長時，輸出功率變化一個周期，既出現(xiàn)一個干涉條紋，如圖2 所示，圖中上面曲線為運動波形曲線13、下面曲線為激光器輸出信號波形曲線12。假設(shè)物 體在振動的半個周期里出現(xiàn)了 M個干涉條紋，則物體的振幅為
J (2) 通過掃頻，就能得到各個頻率點的振動幅值，通過數(shù)據(jù)擬合得到振動幅值隨頻率 的變化曲線，振動幅值最大點對應(yīng)的頻率即為MEMS部件的諧振頻率t，振動幅度最大值 1/V^出對應(yīng)的頻率為fpf2(f2 > f》，則可以得到Q值: /廣, ^ ， 2 ^:
,'(3) 該算法可以用別的位移測量算法代替。 MEMS部件表面形貌測量。通過PZT控制位移臺在水平面運動能夠?qū)EMS部件表 面逐點掃描。當MEMS部件表面形貌起伏時，激光器輸出光功率也隨著起伏。我們通過電子 反饋和壓電陶瓷控制系統(tǒng)使得每個測量點的激光輸出功率為一個恒定的數(shù)值，該值作為參 考點，相當于零點。當該測試儀對MEMS表面進行逐點掃描時，壓電陶瓷的伸縮變化既對應(yīng) 樣品表面形貌的起伏，因此通過該方法就能得到MEMS部件表面的形貌信息。該方法也能夠 被其它方法代替，如通過散斑效應(yīng)得到MEMS部件表面形貌信息。
權(quán)利要求
一種基于二極管激光器自混合效應(yīng)的MEMS動態(tài)測試儀，其特征在于所述的測試儀的激光器(1)發(fā)出的光經(jīng)耦合透鏡(2)耦合進光纖(3)，經(jīng)由自聚焦透鏡(4)、顯微鏡目鏡(5)、顯微鏡物鏡(6)組成的匯聚光路將激光匯聚于被測物體上，被測物體位于能在水平面進行逐點掃描及垂直面移動的PZT控制的三維位移臺(7)上，探測器(8)探測到激光器輸出的光信號后發(fā)出相應(yīng)的輸出信號，輸出信號經(jīng)信號調(diào)理電路(9)的調(diào)節(jié)通過信號采集系統(tǒng)(10)采集送入信號處理系統(tǒng)(11)進行處理。
2. 根據(jù)權(quán)利1所述的基于二極管激光器自混合效益的MEMS動態(tài)測試儀，其特征在于 所述的激光器(1)采用單模二極管激光器，探測器(8)采用光電二極管，光電二極管封裝在 激光器管殼的內(nèi)尾部。
3. 根據(jù)權(quán)利1所述的基于二極管激光器自混合效益的MEMS動態(tài)測試儀，其特征在于 所述的信號調(diào)理電路(9)集成有電流電壓轉(zhuǎn)換電路、放大電路及濾波電路。
4. 根據(jù)權(quán)利1所述的基于二極管激光器自混合效益的MEMS動態(tài)測試儀，其特征在于 所述的信號采集系統(tǒng)(10)由高精度采集卡及計算機組成。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于二極管激光器自混合效應(yīng)的MEMS動態(tài)測試儀，所述的測試儀的激光器發(fā)出的光經(jīng)耦合透鏡耦合進光纖，經(jīng)由自聚焦透鏡、顯微鏡目鏡、顯微鏡物鏡組成的匯聚光路將激光匯聚于被測物體上，被測物體位于能在水平面進行逐點掃描及垂直面移動的PZT控制的三維位移臺上，探測器探測到激光器輸出的光信號后發(fā)出相應(yīng)的輸出信號，輸出信號經(jīng)信號調(diào)理電路的調(diào)節(jié)通過信號采集系統(tǒng)采集送入信號處理系統(tǒng)進行處理。本發(fā)明是一種結(jié)構(gòu)小巧、造價低廉的MEMS動態(tài)測試儀器。
文檔編號G01H9/00GK101706579SQ20091030983
公開日2010年5月12日 申請日期2009年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月17日
發(fā)明者張照云, 蘇偉, 趙興海, 趙翔, 高楊 申請人:中國工程物理研究院電子工程研究所