专利名称：基于二极管激光器自混合效应的mems动态测试仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光与精密测量技术领域，特别涉及一种基于二极管激光器自混合效 应的微电子机械系统(Micro-electromechanical Systems, MEMS)动态测试仪。
背景技术：
近几年，微电子机械系统(MEMS)技术在基础理论研究、器件的设计制造、微系统 的集成应用等方面都取得了重要的进展，但是距大范围的批量化生产和大规模的应用还有 一定的距离，而缺乏有效的测试手段是主要制约因素之一。MEMS测试技术是MEMS设计、仿 真、制造及产品质量控制和性能评价的关键环节之一。由于MEMS器件的典型尺寸在毫米 至微米量级，具有集成度高、运动频率高等特点，非光学测试方法一般都要求在被测结构上 附加相应的传感换能元件，会影响微结构的完整性和机械特性，导致不可预计的误差。光 学测试技术具有非接触、快速、精度高、灵敏度高、抗干扰能力强等优点，可实现大视场的测 量，能够满足大多数MEMS测试的要求，如Veeco公司的MEMS3500以及MEMS运动测试仪 wykoNT1100、美国圣地亚国家实验室的MEMS可靠性测试系统Sh匪eR等，但通常存在体积庞 大、结构复杂、价格昂贵等缺点。因此，有必要开发体积小、结构简单、价格便宜的MEMS动态 测试仪器。
发明内容
本发明的目的是提供一种系统结构简单、紧凑、价格便宜的基于二极管激光器自 混合效应的MEMS动态测试仪。 本发明的基于二极管激光器自混合效应的MEMS动态测试仪，其特点是所述的 测试仪的激光器发出的光经耦合透镜耦合进光纤，经由自聚焦透镜、显微镜目镜、显微镜物 镜组成的汇聚光路将激光汇聚于被测物体上，被测物体位于能在水平面进行逐点扫描及垂 直面移动的PZT控制的三维位移台上，探测器探测到激光器输出的光信号后发出相应的输 出信号，输出信号经信号调理电路的调节通过信号采集系统采集送入信号处理系统进行处 理。 激光器采用单模二极管激光器，探测器采用光电二极管，光电二极管封装在激光 器管壳的内尾部。 信号调理电路集成有电流电压转换电路、放大电路及滤波电路。
信号采集系统由高精度采集卡及计算机组成。 本发明的基于二极管激光器自混合效应的MEMS动态测试仪不需要参考光束，只 有一条光路，光路调节便利，系统结构简单，紧凑，成本低廉。本发明中的激光自混合干涉是 在激光器腔内实现的，通过外部反馈光调制激光器的输出特性，由封装在激光器尾部的光 电二极管探测反馈干涉信号。当物体沿着光的传播方向移动时，激光器的输出功率将发生 周期性的变化，变化规律与光的干涉现象相类似。被测物体移动半个波长时，输出功率变化 一个周期。
图1为本发明二极管激光器自混合效应的MEMS动态测试仪的结构示意图。 图2为被测物体做正弦运动时，二极管激光器输出信号波形曲线。 图中，l. 二极管激光器2.耦合透镜3.光纤4.自聚焦透镜5.显微镜目镜
6.显微镜物镜7.PZT控制的三维精密位移台8.光电二极管9.信号调理电路10.信
号采集系统11.信号处理系统12.激光器输出信号波形曲线13.被测物体运动波形曲线。
具体实施例方式
图1为基于二极管激光器自混合效应的MEMS动态测试仪结构示意图。激光器1发 出的光经耦合透镜2耦合进光纤3，通过光纤尾部的自聚焦透镜4，再通过显微镜目镜5准 直输出到显微镜物镜6上，将光汇聚于被测物体表面上，物体放在PZT控制的三维位移台7 上。物体表面反射或散射的光经上述光路反馈回激光器l内部，调制激光器的输出功率，通 过封装在激光器尾部的探测器8探测信号，经信号调理电路9将信号调整到合适水平，经数 据采集系统10采集数据送入信号处理系统11进行数据处理就能得到MEMS部件的动态信 息。另外可以通过PZT控制位移台7在水平面及垂直面进行移动，以得到物体的全视场信 息。 该动态测试仪的拓展性很强，通过不同的信号处理手段能够得到MEMS部件的不 同信息。如通过傅里叶变化可以得到的速度，加速度信息；通过条纹计数法可以得到MEMS 部件的振动幅度，进而可以得到其谐振频率和Q值；通过激光器内出现的散斑效应也可以 得到MEMS部件的运动速度及形貌特征等。下面就几个典型应用的测量原理及信号处理方 法做介绍。 MEMS部件运动速度及加速度的测量。当物体在光轴方向运动时，将产生多普勒频 移，多普勒频移与物体的运动速度有线性变化的关系，如下式所示 ^=1°°^
A (1) 式中的e为光轴与物体运动方向的夹角。从式(l)可以看出，只要通过一定的信 号处理方法得到物体运动产生的多普勒频移，就能通过式(i)得到物体的运动速度，对速 度进行微分就能够得到物体的加速度信息。下面通过快速傅里叶变换法测量物体的运动速
度和加速度，算法如下 1)对采集的数据进行分段处理，每段为M个点； 2)对每段数据进行加窗处理； 3)给每段数据补零，得到N点长度的数据； 4)对每段数据进行FFT处理； 5)FFT最大幅值点对应的频率即为多普勒频率fD 6)通过式(1)得到物体的速度； 7)对速度进行微分得到物体的加速度； 该信号处理方法也能够用其它的速度测量信号处理方法代替。
MEMS部件的振幅，谐振频率及Q值的测量。二极管激光器发出的光经汇聚系统汇 聚于被物体，通过物体表面反射或散射，部分光反馈回激光器与腔内激光发生混合，调制激 光器的输出功率和光频。当物体沿着光的传播方向移动时，激光器的输出功率将发生周期 性的变化。被测物体移动半个波长时，输出功率变化一个周期，既出现一个干涉条纹，如图2 所示，图中上面曲线为运动波形曲线13、下面曲线为激光器输出信号波形曲线12。假设物 体在振动的半个周期里出现了 M个干涉条纹，则物体的振幅为
J (2) 通过扫频，就能得到各个频率点的振动幅值，通过数据拟合得到振动幅值随频率 的变化曲线，振动幅值最大点对应的频率即为MEMS部件的谐振频率t，振动幅度最大值 1/V^出对应的频率为fpf2(f2 > f》，则可以得到Q值: /广, ^ ， 2 ^:
,'(3) 该算法可以用别的位移测量算法代替。 MEMS部件表面形貌测量。通过PZT控制位移台在水平面运动能够对MEMS部件表 面逐点扫描。当MEMS部件表面形貌起伏时，激光器输出光功率也随着起伏。我们通过电子 反馈和压电陶瓷控制系统使得每个测量点的激光输出功率为一个恒定的数值，该值作为参 考点，相当于零点。当该测试仪对MEMS表面进行逐点扫描时，压电陶瓷的伸縮变化既对应 样品表面形貌的起伏，因此通过该方法就能得到MEMS部件表面的形貌信息。该方法也能够 被其它方法代替，如通过散斑效应得到MEMS部件表面形貌信息。
权利要求
一种基于二极管激光器自混合效应的MEMS动态测试仪，其特征在于所述的测试仪的激光器(1)发出的光经耦合透镜(2)耦合进光纤(3)，经由自聚焦透镜(4)、显微镜目镜(5)、显微镜物镜(6)组成的汇聚光路将激光汇聚于被测物体上，被测物体位于能在水平面进行逐点扫描及垂直面移动的PZT控制的三维位移台(7)上，探测器(8)探测到激光器输出的光信号后发出相应的输出信号，输出信号经信号调理电路(9)的调节通过信号采集系统(10)采集送入信号处理系统(11)进行处理。
2. 根据权利1所述的基于二极管激光器自混合效益的MEMS动态测试仪，其特征在于 所述的激光器(1)采用单模二极管激光器，探测器(8)采用光电二极管，光电二极管封装在 激光器管壳的内尾部。
3. 根据权利1所述的基于二极管激光器自混合效益的MEMS动态测试仪，其特征在于 所述的信号调理电路(9)集成有电流电压转换电路、放大电路及滤波电路。
4. 根据权利1所述的基于二极管激光器自混合效益的MEMS动态测试仪，其特征在于 所述的信号采集系统(10)由高精度采集卡及计算机组成。
全文摘要
本发明提供了一种基于二极管激光器自混合效应的MEMS动态测试仪，所述的测试仪的激光器发出的光经耦合透镜耦合进光纤，经由自聚焦透镜、显微镜目镜、显微镜物镜组成的汇聚光路将激光汇聚于被测物体上，被测物体位于能在水平面进行逐点扫描及垂直面移动的PZT控制的三维位移台上，探测器探测到激光器输出的光信号后发出相应的输出信号，输出信号经信号调理电路的调节通过信号采集系统采集送入信号处理系统进行处理。本发明是一种结构小巧、造价低廉的MEMS动态测试仪器。
文档编号G01H9/00GK101706579SQ20091030983
公开日2010年5月12日 申请日期2009年11月17日 优先权日2009年11月17日
发明者张照云, 苏伟, 赵兴海, 赵翔, 高杨 申请人:中国工程物理研究院电子工程研究所
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
