基於二極體雷射器自混合效應的mems動態測試儀的製作方法

2023-05-10 20:21:01 2

專利名稱：基於二極體雷射器自混合效應的mems動態測試儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及雷射與精密測量技術領域，特別涉及一種基於二極體雷射器自混合效 應的微電子機械系統(Micro-electromechanical Systems, MEMS)動態測試儀。
背景技術：
近幾年，微電子機械系統(MEMS)技術在基礎理論研究、器件的設計製造、微系統 的集成應用等方面都取得了重要的進展，但是距大範圍的批量化生產和大規模的應用還有 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測試技術是MEMS設計、仿 真、製造及產品質量控制和性能評價的關鍵環節之一。由於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，非光學測試方法一般都要求在被測結構上 附加相應的傳感換能元件，會影響微結構的完整性和機械特性，導致不可預計的誤差。光 學測試技術具有非接觸、快速、精度高、靈敏度高、抗幹擾能力強等優點，可實現大視場的測 量，能夠滿足大多數MEMS測試的要求，如Veeco公司的MEMS3500以及MEMS運動測試儀 wykoNT1100、美國聖地亞國家實驗室的MEMS可靠性測試系統Sh匪eR等，但通常存在體積龐 大、結構複雜、價格昂貴等缺點。因此，有必要開發體積小、結構簡單、價格便宜的MEMS動態 測試儀器。

發明內容
本發明的目的是提供一種系統結構簡單、緊湊、價格便宜的基於二極體雷射器自 混合效應的MEMS動態測試儀。 本發明的基於二極體雷射器自混合效應的MEMS動態測試儀，其特點是所述的 測試儀的雷射器發出的光經耦合透鏡耦合進光纖，經由自聚焦透鏡、顯微鏡目鏡、顯微鏡物 鏡組成的匯聚光路將雷射匯聚於被測物體上，被測物體位於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，探測器探測到雷射器輸出的光信號後發出相應的輸 出信號，輸出信號經信號調理電路的調節通過信號採集系統採集送入信號處理系統進行處 理。 雷射器採用單模二極體雷射器，探測器採用光電二極體，光電二極體封裝在雷射 器管殼的內尾部。 信號調理電路集成有電流電壓轉換電路、放大電路及濾波電路。
信號採集系統由高精度採集卡及計算機組成。 本發明的基於二極體雷射器自混合效應的MEMS動態測試儀不需要參考光束，只 有一條光路，光路調節便利，系統結構簡單，緊湊，成本低廉。本發明中的雷射自混合幹涉是 在雷射器腔內實現的，通過外部反饋光調製雷射器的輸出特性，由封裝在雷射器尾部的光 電二極體探測反饋幹涉信號。當物體沿著光的傳播方向移動時，雷射器的輸出功率將發生 周期性的變化，變化規律與光的幹涉現象相類似。被測物體移動半個波長時，輸出功率變化 一個周期。


圖1為本發明二極體雷射器自混合效應的MEMS動態測試儀的結構示意圖。 圖2為被測物體做正弦運動時，二極體雷射器輸出信號波形曲線。 圖中，l. 二極體雷射器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.光電二極體9.信號調理電路10.信
號採集系統11.信號處理系統12.雷射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為基於二極體雷射器自混合效應的MEMS動態測試儀結構示意圖。雷射器1發 出的光經耦合透鏡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，將光匯聚於被測物體表面上，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上述光路反饋回雷射器l內部，調製雷射器的輸出功率，通 過封裝在雷射器尾部的探測器8探測信號，經信號調理電路9將信號調整到合適水平，經數 據採集系統10採集數據送入信號處理系統11進行數據處理就能得到MEMS部件的動態信 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。如通過傅立葉變化可以得到的速度，加速度信息；通過條紋計數法可以得到MEMS 部件的振動幅度，進而可以得到其諧振頻率和Q值；通過雷射器內出現的散斑效應也可以 得到MEMS部件的運動速度及形貌特徵等。下面就幾個典型應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，將產生都卜勒頻 移，都卜勒頻移與物體的運動速度有線性變化的關係，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生的都卜勒頻移，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。下面通過快速傅立葉變換法測量物體的運動速
度和加速度，算法如下 1)對採集的數據進行分段處理，每段為M個點； 2)對每段數據進行加窗處理； 3)給每段數據補零，得到N點長度的數據； 4)對每段數據進行FFT處理； 5)FFT最大幅值點對應的頻率即為都卜勒頻率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。二極體雷射器發出的光經匯聚系統匯 聚於被物體，通過物體表面反射或散射，部分光反饋回雷射器與腔內雷射發生混合，調製激 光器的輸出功率和光頻。當物體沿著光的傳播方向移動時，雷射器的輸出功率將發生周期 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，既出現一個幹涉條紋，如圖2 所示，圖中上面曲線為運動波形曲線13、下面曲線為雷射器輸出信號波形曲線12。假設物 體在振動的半個周期裡出現了 M個幹涉條紋，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，通過數據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對MEMS部件表 面逐點掃描。當MEMS部件表面形貌起伏時，雷射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使得每個測量點的雷射輸出功率為一個恆定的數值，該值作為參 考點，相當於零點。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 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，如通過散斑效應得到MEMS部件表面形貌信息。
權利要求
一種基於二極體雷射器自混合效應的MEMS動態測試儀，其特徵在於所述的測試儀的雷射器(1)發出的光經耦合透鏡(2)耦合進光纖(3)，經由自聚焦透鏡(4)、顯微鏡目鏡(5)、顯微鏡物鏡(6)組成的匯聚光路將雷射匯聚於被測物體上，被測物體位於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)探測到雷射器輸出的光信號後發出相應的輸出信號，輸出信號經信號調理電路(9)的調節通過信號採集系統(10)採集送入信號處理系統(11)進行處理。
2. 根據權利1所述的基於二極體雷射器自混合效益的MEMS動態測試儀，其特徵在於 所述的雷射器(1)採用單模二極體雷射器，探測器(8)採用光電二極體，光電二極體封裝在 雷射器管殼的內尾部。
3. 根據權利1所述的基於二極體雷射器自混合效益的MEMS動態測試儀，其特徵在於 所述的信號調理電路(9)集成有電流電壓轉換電路、放大電路及濾波電路。
4. 根據權利1所述的基於二極體雷射器自混合效益的MEMS動態測試儀，其特徵在於 所述的信號採集系統(10)由高精度採集卡及計算機組成。
全文摘要
本發明提供了一種基於二極體雷射器自混合效應的MEMS動態測試儀，所述的測試儀的雷射器發出的光經耦合透鏡耦合進光纖，經由自聚焦透鏡、顯微鏡目鏡、顯微鏡物鏡組成的匯聚光路將雷射匯聚於被測物體上，被測物體位於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，探測器探測到雷射器輸出的光信號後發出相應的輸出信號，輸出信號經信號調理電路的調節通過信號採集系統採集送入信號處理系統進行處理。本發明是一種結構小巧、造價低廉的MEMS動態測試儀器。
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 優先權日2009年11月17日
發明者張照雲, 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