MEMS设备的高级光学测量技术

MEMS器件的光学特性可以通过使用广泛的测量系统来实现。这些采用不同的技术来测量各种物理特性(例如，截面、尺寸、粗糙度、薄膜厚度、弹性模量、台阶高度、响应时间、应力、共振频率、热膨胀、粘性等)。

例如，尺寸分析和变形测量可以通过基本的光学显微镜和数字图像处理来实现。

更复杂的光学测量系统是为特殊功能定制的(高横向分辨率、3D形状测量、高垂直分辨率和/或动态响应)。表1列出了用于这一目的的常用方法的比较。

表格1。MEMS光学测量工具的比较

技术	横向分辨率（典型）	垂直分辨率（典型）	静态	动态响应	实时响应
AFM（原子力显微镜）	0.0001μm.	0.0001μm.	3d	不	不
SEM（扫描电子显微镜）	0.001μm.	-	2D	不*	不
OM(光学显微镜)	<1μm.	<1μm.	2D	不*	不
cm（共聚焦显微镜）	<1μm.	< 0.01µm	3d	不	不
WLI（白光干涉仪）	<1μm. < 0.01µm * *	<0.001μm.	3d	是的**	不
数字全息显微术	<1μm. < 0.01µm * *	<0.001μm.	3d	是的**	不
SVM（频闪视频显微镜）	<1μm. < 0.01µm * *	<1μm.	2D	是的**	不
激光多普勒振动测量	<1μm. <10-6μm***	<10-6μm***	不	是的	是的

*使用视频捕获技术可能的动态响应
**动态响应可能使用频闪技术
***实时动态响应的分辨率 - 不是静态

与基于频闪技术的任何方法相比，激光多普勒振动计（LDV）实时能力使测量时间大致较大六个数量级，或者提供比较的测量时间和幅度分辨率，大约六个数量级或甚至更好。

Polytec光学测量系统

Polytec的光学测量系统是一种用于测量动态响应的专业系统。通常，在MEMS器件中，主动移动感测和致动的元件。动态响应的测量提供了只需电动测试无法获得的重要信息。谐振器的沉降位移幅度，微镜的时间动态，悬臂的共振频率是动态响应测量的一些示例。在这种情况下，需要高分辨率，实时和精确的非侵入性测量技术。

这基于Polytec显微镜的测量系统采用以下三种技术:(1)激光多普勒振动仪测量平面外运动。平面内运动测量是通过合并两个额外的与表面成角度的振动计通道来完成的。通过自动扫描，可以测量和显示三维动画中的偏转形状。(2)另一种测量平面内运动的方法是频闪视频显微镜，它再次将分析扩展到平面方向，提供完整的三维运动测量。(3)白光干涉法(White-light interferometry, WLI)增加了表面形貌测量的潜力，用于测量静态形状。

目前，整个MEMS社区正在采用这种仪器，以表征加速度计，微镜，陀螺仪，悬臂，超声波换能器，致动器，麦克风，RF开关，压力传感器，墨水喷射器和谐振器。以下是一些应用程序：

• 描述在设计开发和发布过程时的设备响应
• 设备响应的动态测试，以建立刚度，谐振频率和阻尼等机械参数
• 在广泛的运动和频率范围内校准传感器和致动器的位移和驱动电压
• 根据有限元模型的预期进行性能设计验证
• 制造过程后建立表面性能的地形测量（粗糙度，形状，步高，几何，薄膜应力，曲率，分层）
• 测量稳定时间动态，以建立精确运动，并显示响应的3D可视化

本文提供了详细的方式Polytec光学测量系统在许多例子中都使用。操作原则对于了解所采用技术的内在优点和缺点至关重要。下面几节将详细介绍这种技术，并举例说明如何将上述方法用于重要的应用程序。

激光多普勒振动器

LDV是一种光学仪器，其采用激光技术来评估振动结构上所选点处的位移和速度。激光振动器在没有接触的情况下进行测量，并且不会受环境条件或表面特征的影响。可以将激光束聚焦到直径下降至1μm的点，从而能够分析在光学显微镜下可见的MEMS结构。

衍射限制与用过的光的波长（532nm）相比影响尺寸较小的装置的测量值。LDV是一种极其敏感的光学方法，具有评估从厘米从DC到Gigahertz的频率的厘米到微米花纹的潜力。除了宽频的频率范围外，LDV还具有宽的动态范围（超过170 dB），速度幅度为0.02μm/ s至10 m / s。这些属性使能无法使用全息或其他方法执行的测量值。

LDV采用多普勒效应，其中与发生率的运动量，位移和速度有关的信息由来自移动目标的光反向散射来携带。光波的相位由表面的位移调制，而光学频率被瞬时速度移位。在干涉方法的帮助下，接收的光波与参考光束混合，以使两个光束在光检测器处重新组合。图1说明了改进的Mach-Zehnder干涉仪的基本示意性结构。

图1。用于改进的Mach-Zehnder干涉仪的光学原理图

来自移动目标的相位调制和方向敏感频率由在光检测器处测量的信号承载。目标位移S.（T.）导致相位调制

（1）

基本关系dφ./ D.T.= 2πf和dS./ D.T.=V.控制相位调制与称为多普勒频率的频率偏差相对应。

（2）

探测器输出信号的合成频率精确地保留了速度矢量的方向信息(符号)。

从本质上讲，LDV进行的测量是动态的，不携带与静态形状相关的信息(这是可行的使用其他方法，如白光干涉术或数字全息术)。速度和位移被编码在检测器输出信号的相位和频率调制中。在激光振动计的信号解码块中采用相位和/或频率解调方法，从调制的检测器信号中恢复速度和位移时间历程。

瞬时多普勒频率直接转换成与模拟和数字频率解调器的振动速度成比例的电压。高质量的解调电子设备采用了整个振动计系统的灵敏度，临界精度，信噪比和线性度。

可以将LDV测量仪器扩展到3D振动计设置，从而使PM - 平面的PM分辨率以及平面外运动。光学配置追求包括三个线性独立的干涉仪路径的外差Mach-Zehnder干涉法（图2）。

布喇格单元声光频移激光光束通过主干涉仪指向轴相对于三个参考光束。然后，在轴上和离轴两个方向收集散射光。三个探测器信号中包含了测量点的完整宽带三维振动谱。在笛卡尔坐标系下，通过坐标变换得到振动数据。

图2。3D激光振动计的光学布局

使用LDV的一个缺点是测量是在单点进行的，而不是像使用视频干涉测量方法那样在一个完整的场地上进行。通过使用扫描镜使激光测量光束在x、y方向偏转，可以将LDV技术扩展到全区域扫描。

图3示出了具有扫描镜M的示意图。可以将激光测量光束定位到直播显微镜视频上可见的任何点。该方法应用于按点扫描区域点以评估结构的速度场。

Despite the fact that a single-point LDV can be regarded as a traditional sensor (i.e. recording analog output using an oscilloscope or other data acquisition systems), the scanning LDV necessitates system software to generate a scan measurement grid, to achieve scanning process control, and to simultaneously acquire the measurement data. The phase of each point is established by simultaneous measurement of an additional reference channel (usually the drive signal generated by the internal signal generator). The 3D deflection shapes are computed from this data. The final outcome includes velocity mapping and/or mapping of the displacement field over the structure that enables 3D animations of the response in the time or frequency domain (see Figures 12 and 14).

图3。显微镜扫描激光振动计的光学布局

频闪视频显微镜

使用MEMS的面内周期性运动频闪视频显微镜。该方法可以与LDV一起使用。如图4所示，通过集成的CCD相机捕获频闪图像。有必要准确地同步LED频闪闪烁，驱动样品的信号，以及相机曝光。图4示出了相对于周期性激励的两个不同阶段的两个相机射击的频闪同步的时序图。

图4。频闪信号的时序图

在获取包含闪光灯图像的数据集之后，通过机器视觉分析建立帧之间的像素偏差。平面内运动算法使用相关函数来计算位置偏移（ΔX,δy)的自定义搜索模式之间的连续图像。图像相关方法可用于计算δ值X和δy到子像素分辨率。这需要后处理，并且不会实时捕获，就像LDV一样。

谐振处的梳状驱动MEMS器件的位移和模式匹配如图5所示。系统通过用户定义的频率自动执行，通过记录图像集来获得频率响应。对于每个测量的频率，提取位移与相位延迟数据被提取并呈现为Bode图。平面内运动分析可以用正弦励磁以及阶跃响应进行。

图5。梳状驱动装置的平面运动

白光干涉测量

白光干涉测量（WLI）可以实现静态表面形貌测量。这提供了设备表面的X-Y-Z映射，以建立重要的参数，例如台阶高度，平坦度，并行，曲率，角度，粗糙度和卷。可以将结果显示为2D或3D映射，用于缺陷分析，评估和/或处理以提取指定区域的参数值。

采用如图6所示的光学装置，使用迈克尔逊干涉仪进行WLI。所用白光光源的相干长度在千分尺范围内。分束器用于将准直光束分为参考光束和物体光束。从物体和镜面散射回来的光再次叠加在分束器上，然后成像到CCD相机。这种干涉导致了一种条纹图案，这种条纹图案被映射到相机图像的每个像素上。

图6。白光干涉仪原理图

Z级用于移动位置干涉透镜，从而调制每个像素的干扰信号，从而导致相关图。当与参考镜子的距离精确地等于到设备表面的距离时，会出现相关图的最大值。在测量运行之后，分析从相机帧获得的相关图，并且如图7所示，可以将表面的真正地形表示作为3D地形图来重建。

图7。微型齿轮的地形测量

应用-德州仪器数字镜装置(DMD)

建立时间是微镜应用的关键参数，其中镜面方向从一个倾斜状态转换为另一个倾斜状态。在这种情况下，准确性和速度是重要的性能指标。沉降时间响应受到镜像设计中复杂因素的影响，如共振频率，阻尼系数，以及驱动控制信号的优化。激光多普勒振动器可用于测量这些因素，以获得高精度和采样率的实时响应。镜像响应的3D可视化是通过扫描测量提供的，作为动画序列。

测量在德州仪器DMD阵列上执行。该阵列包括数百万个12 μm的镜子。图8描述了每个反射镜相对于一个隐藏的铰链，围绕主轴旋转±12°。可以通过将镜面从“−”状态移动到“+”状态来控制投射到单个像素上的光照，可以通过在“+”状态下的时间量来控制灰度亮度。这种镜子能够以每秒大约50,000次的速度开关。通过进一步提高切换速度，可以增加投影图像中彩色尺度的范围。

图8。德州仪器微镜的结构

LDV用于对DMD阵列执行扫描测量，以测量建立时间响应并提供运动的3D时间可视化。在镜子的拐角处的激光测量点瞄准的点的位移如图9所示。在通过旋转12°转换到“+”状态时，镜的拐角向上移位并需要特征时间定居稳定的方向。

图9。镜面上单个点的时间响应

在沉降时，反射镜在基本的扭转共振处表现出阻尼振荡。通过在整个曲面的坐标位置重复测量，可以建立一个完整的镜面运动的三维动态表示，包括主倾斜运动，以及正交滚动和凹陷运动。结果是一个3D动画，显示所有三个轴的精确时间序列。通过将测量范围扩展到阵列中的多个反射镜，可以比较从一个反射镜到另一个反射镜运动的相对相位。这些测量作为设计沉降时间性能的关键指标，并用于指导未来的设计开发。

应用 - 晶圆级上的压力传感器

晶圆级测试可以提供强大的质量控制方法，并最大限度地减少与不满足规范的包装MEMS设备相关的成本。LDV用于识别材料和几何参数使得能够在探针站上的晶片级快速自动化的实时测量。

所使用的测量显微镜头可以很容易地安装在任何探头站上。可以在几毫秒内测量结构上单个点的共振频率。探针站移动到下一个设备，重复同样的测量。这个过程每个芯片大约需要2秒，最终的结果是一个晶圆图，显示用于“通过/失败”标准的定量估计识别错误。

对通过KOH蚀刻处理的1300μm×1300μm器件的压力传感器进行测量。基于LDV执行的基于频率响应测量的膜厚度算法作为参数测试的原理。非接触式静电探针用于搅拌膜。两个设备的频率响应如图10所示：在图10A中示出了在预期频率下具有谐振的“良好”管芯的频率响应，并且示出了具有偏移谐振频率的“坏”管芯的频率响应在图10B中。

图10。（A，Upper）：良好设备的频率响应。（b，较低）：坏装置的频率响应。

计算估计识别误差（EIE）提供了定量评估，其使得处理错误能够被分类。如图11所示，这些在晶片上映射，具有用于筛选“坏死”（以红色示出）的最大误差标准。

图11。估计识别误差的晶圆图。坏设备以红色显示。

应用 - FE模型验证

通过在MEMS器件的设计阶段使用FE模型来执行机械响应的模拟。在典型的模型中，采用复杂的机械和电气参数来预测设备响应，并用于根据目标规格设计设备。由于由于制造过程的几个这些参数具有变化的事实，因此通过测试验证它们是至关重要的。这在初始制造相中具体地保持良好的过程，其中该过程不受很大控制，并且存在更多的不确定性。

下面描述的是MEMS悬臂梁的基本示例。硅束的长度为225μm，宽度为40μm，厚度为4μm。共振频率F是（谁）给的

（3）

其中l是长度，m是质量，我是惯性矩，e是弹性。使用基于建模几何的1000节点点提取硅束的ANSYS模型。预测，第一个弯曲模式将发生在94,153 Hz（参见图12，右图）。使用扫描LDV测量在光束上进行实验验证，测量点密度与模型的节点点相同。

执行实验结果的比较进行验证，并且基于数据更新模型。在理想化的模型中，通常不考虑抑制，几何误差，不匹配，不匹配，非均匀性，扭转符合性和残余应力等复杂效果。这里，第一弯曲模式由实验结果提供，以66,718Hz的较低频率提供（参见图12，左图）。模型中使用的不准确的几何值为此提供了解释。

图12。悬臂第一弯曲模式的比较实验（左）和Fe模型（右）。

在惯性传感器的情况下，使用例如调谐叉或梳状驱动谐振器的感测和驱动模式，建模可以更复杂。这些模式通常以特定频率设计，必须通过执行实验测量来验证。

应用 - 优化加速度计的设计

MEMS器件设计有集成的机械和电气部件，以形成机电系统。在这些设备的表征和故障排除过程中，建立观察到的行为是绝对电气，绝对机械的，绝对机械的，或内在的两者，通常具有挑战性。LDV测量使直接机械测量能够不受电气效应影响。

本文给出了应用MEMS公司早期生产的一种鲁棒、稳定的MEMS低g伺服加速度计的测量实例。加速度计的噪声底限接近30 ng/√Hz，动态范围>115 dB。尽管该传感器是为满足石油勘探地震勘探和监测的苛刻环境而设计的，但它也可以用于惯性导航、振动监测和分析。

在早期开发的加速度计输出中观察到杂散共振接近20kHz。尽管该频率完全在所需的性能频带之外，但这种模式被推定为传感器性能降低的原因。虽然模式的来源目前是模糊的，但有各种推定的原因。从FEA模拟中，已知接近此频率的机械传感器模式存在;但是，目前尚不清楚这些模式如何在传感器的闭环输出中表现出来。来自控制回路和包装诱导的模式的伪影也被视为20 kHz音调的源。

通过使用扫描振动器来扫描裸模的表面来执行对音调的原因的进一步分析，如图13所示。由于该装置是可变电容器，包括在运动防尘的两侧锻造和传感电极，有必要去除电极盖中的一个以扫描内部的移动部件。在感兴趣的乐队中机械刺激固定到高频振动器的解盖模具。

宽带输入振动器用于扫描完整的表面，在感兴趣的乐队中激发所有模式。通过该步骤，揭示了被测设备的模式的频率和一般位置。该信息可用于在单频率下执行更高的分辨率快速扫描，用于模具上不同位置处的特定模式。

图13。MEMS加速度计从施加的MEMS中取出

图14展示了在包含加速度计弹簧弯头的1.5 × 1.5 mm截面上进行快速扫描的结果。弹簧弯头的峰值位移为800 nm。从扫描中可以清楚地看到弹簧弯头的机械共振。由于仅采用机械激励来执行LDV测量，因此有可能进一步消除杂散模式的电气原因。扫描还揭示了频率接近1 MHz的弹簧臂的额外高阶模态。因此，通过对传感器的重新设计，减少了这种模式的负面影响。后续的传感器设计结果是更高的产量和优化的器件性能。

图14。23 kHz弯曲弯曲模式

结论

多才多艺光学测量工具由PolyTEC提供的可用于研究和开发MEMS设备，用于现实世界应用。激光多普勒振动器可实现实时执行动态响应的宽带测量，并将分辨率降至芯片级。本文讨论的示例说明了德州仪器DMD阵列的表征，设计优化和故障排除的用法，并应用MEMS加速度计。

此外，可以将这种潜力延伸到晶片水平上的自动化，快速生产测试测量。Polytec的测量方法的应用提供了独特的见解，进入MEMS器件的内部工作，提高了产量和性能，缩短了设计周期，最终降低了产品的成本。

此信息已从Polytec提供的材料中获取、审查和改编。亚博网站下载

有关此来源的更多信息，请访问Polytec。