胡曉東，楊?媛，常新宇，盧鈞勝

具有寬頻帶高靈敏度的微振動外差干涉測試儀

胡曉東，楊?媛，常新宇，盧鈞勝

(天津大學精密儀器與光電子工程學院，天津 300072)

針對微機電系統(tǒng)等微納米尺度器件的振幅測量，基于外差干涉原理設(shè)計開發(fā)一種微振動模態(tài)測試系統(tǒng)，由光路和解析電路兩部分構(gòu)成，在光路中利用載波技術(shù)將被測樣品的振幅信息加載到被測光信號上，被測光信號與參考光信號之間原本存在一個由聲光調(diào)制器產(chǎn)生的頻率差，當被測信號與參考信號經(jīng)光電探測器混頻后，可得到一個參考差頻信號及一個載有被測物理量信息的差頻信號，之后在電路中對這兩個信號進行電路解調(diào)即可得到被測樣品的振幅信息．該測量方式降低了測量過程對光強的要求，降低了樣品所需的激勵電壓，避免了對樣品表面的破壞，同時測量不會受到光程波動和電磁反饋的影響，提高了測量速度，降低了測量誤差．通過實驗測試了諧振頻率為2.1889GHz的薄膜體聲波諧振器的振幅和原子力顯微鏡微懸臂梁探針前三階諧振動模態(tài)的振幅，實驗表明該系統(tǒng)可以測量的振動頻率范圍約為幾十Hz到數(shù)GHz，振幅范圍約為1pm～10nm，因此本振動模態(tài)測量系統(tǒng)可以同時滿足高測量帶寬和高測試靈敏度的測試需求．

微機電系統(tǒng)；外差干涉測量；薄膜體聲波諧振器；微懸臂梁；振幅

筆者采用了外差干涉方法將帶有樣品振動信息的物光和經(jīng)聲光調(diào)制器產(chǎn)生差頻的參考光對比進行非接觸式測量，降低了測量過程對光強的要求，降低了樣品所需的激勵電壓，避免了對樣品表面的破壞，同時測量不會受到光程波動和電磁反饋[8]的影響．通過偏振分光棱鏡調(diào)整物光和參考光的光強，在解析電路中調(diào)整功率放大器和衰減器數(shù)量及位置提高了測試精度．對FBAR和微懸臂梁兩種不同諧振頻率的MEMS器件進行測量．該系統(tǒng)的振動頻率范圍約為幾十Hz到數(shù)GHz，振幅范圍約為1pm～10nm，與現(xiàn)有的測試技術(shù)相比，實現(xiàn)了高測量帶寬和高測試靈敏度．

1?外差干涉測量系統(tǒng)工作原理

帶有樣品振動信息的被測信號和經(jīng)過聲光調(diào)制器產(chǎn)生的參考信號在光路系統(tǒng)中混合、干涉，干涉后的光信號由光電探測器接收并轉(zhuǎn)化為電信號，然后傳輸?shù)诫娐废到y(tǒng)中進行信號處理．

經(jīng)余弦展開可得

經(jīng)積化和差可得光電檢測器接收到的信號近似正?比于

(7)

2?外差干涉測量系統(tǒng)的設(shè)計

2.1?光路部分

激光器發(fā)出的單模穩(wěn)頻激光經(jīng)過光隔離器、反射鏡、1/2 波片到達偏振分光棱鏡．1/2 波片起到調(diào)節(jié)物光和參考光強弱的作用．光束經(jīng)過偏振分光棱鏡分為向上傳播的反射光(作為測量所用的參考光)，以及向前傳播的透射光(作為物光)．參考光繼續(xù)傳播經(jīng)過聲光調(diào)制器進行調(diào)制，產(chǎn)生一個40MHz的頻移，經(jīng)過兩次反光鏡的反射照到分光棱鏡上面，其中經(jīng)過聲光調(diào)制器的激光分為兩束，一束為一級衍射光，一束為 0級衍射光，0級衍射光的頻率未發(fā)生改變，作為干擾光，通過在分光棱鏡上放置空間濾波器進行過濾，一級衍射光經(jīng)過偏振分光棱鏡的反射進入光電探測器．物光經(jīng)過偏振分光棱鏡、1/4 波片后經(jīng)過反射鏡、物鏡匯聚照射在樣品上，之后經(jīng)被測樣品反射，原路返回并照射到偏振分光棱鏡上，物光經(jīng)過兩次 1/4 波片，偏振方向和原來相比發(fā)生了對稱變換，因此經(jīng)過偏振分光棱鏡時只能被反射，之后照射到反射鏡上，然后透過分光棱鏡與參考光發(fā)生干涉，之后被光電探測器接收．外差干涉測量系統(tǒng)的光路部分如圖1所示．

圖 1?外差干涉測量系統(tǒng)光路部分

2.2?電路部分

外差干涉測量系統(tǒng)的電路部分如圖2所示．

1—光電探測器；2～6—射頻信號發(fā)生器；7—功率分離器；8～10—低噪聲放大器；11、12—混頻器；13、14—低通濾波器；15、16—鎖相放大器；17—數(shù)據(jù)采集卡；18—位移臺；19—樣品；20—聲光調(diào)制器

2.3?系統(tǒng)測試時間和測試帶寬

首先介紹本套系統(tǒng)中鎖相放大器和計算機中的信號處理過程．鎖相放大器將輸入信號和內(nèi)部的參考信號混頻，然后混頻信號經(jīng)過一個低通濾波器實現(xiàn)低通濾波．圖3為混頻之后的信號處理過程．

口岸的工作在一年四季中都沒有停歇的時刻，堅守口岸工作崗位的各類工作人員是口岸運行得以暢通、平穩(wěn)、高效的基礎(chǔ)。這份工作責任重大，每一次邊檢不僅僅是代表從一地區(qū)進入另一地區(qū)的簡單檢查，更代表的是國家形象，是國家能力、國家技術(shù)水平和國家形象的綜合體現(xiàn)。而常年駐守在這里的另一批人，是來自全國各地的邊防戰(zhàn)士和武警官兵，二連浩特的冬天是十分寒冷的，即使是大白天提著杯子出去走一圈杯子里的水也會結(jié)冰。二連浩特口岸是距離祖國偉大首都最近的陸上口岸，是保衛(wèi)首都安危的重要門戶，即使環(huán)境在如何艱苦，他們都無怨無悔，駐守在祖國北方的門戶，忠誠守護著祖國的北大門，保衛(wèi)著祖國北方領(lǐng)土、主權(quán)的完整和安全。

圖3?信號處理過程

當系統(tǒng)滿足

Tab.1 Solutions to Eq.(14)，theof alone，and the figure of merit

此時測試帶寬變?yōu)?/p>

3?激光外差干涉測量系統(tǒng)對MEMS器件的振幅測量

通過對薄膜體聲波諧振器和微懸臂梁兩種諧振頻率和振幅差別較大的MEMS器件進行測量來表征本外差干涉測量系統(tǒng)的性能．射頻器件對不同頻率的信號的輸出效率并不同，而光外差法是對兩個不同頻率信號求比值的方式求得幅值，需要將頻率響應計算在內(nèi)，頻率響應通過掃頻和最小二乘擬合計算得出．采集了位移臺控制軟件允許范圍內(nèi)的90μm×90μm的大面積掃圖．

對諧振頻率為2.1889GHz的FBAR進行測試，樣品模型如圖4所示．

圖4?實驗樣品模型

分別對樣品施加幅值為0dBm、18dBm的驅(qū)動電壓，采集的圖像質(zhì)量相同，測試結(jié)果如圖5所示，其中橫縱坐標表示樣品上的不同位置，色標表示的是不同樣品點上的振幅．測得FBAR在18dBm驅(qū)動下振幅約為0.2～0.3nm，在0dBm驅(qū)動下振幅約為25～50pm，整個工作區(qū)域的振幅重復性較好．采集的圖像會出現(xiàn)某些不合格點，這種現(xiàn)象是由于放大器電源不穩(wěn)定以及樣品表面存在缺陷引起的．

圖5?不同驅(qū)動電壓下獲得的樣品大范圍振幅

對固定在壓電陶瓷上并由其驅(qū)動的微懸臂梁樣品前三階諧振模態(tài)的振幅測量．掃頻得出其一階諧振頻率為342.22kHz，二階諧振頻率為1.9555MHz，三階諧振頻率為5.075MHz．由于隨著樣品諧振模態(tài)階數(shù)的增加，所施加的激勵信號頻率也逐漸增大，超過了壓電陶瓷的諧振頻率，因此為了獲得較為明顯的振幅圖像，在微懸臂梁的高階諧振模態(tài)下需要給壓電陶瓷施加更大的驅(qū)動電壓．一階諧振頻率下所施加的驅(qū)動為5mV的交流信號，二階諧振頻率下施加的驅(qū)動為60mV的交流信號，三階諧振頻率下施加的驅(qū)動為800mV的交流信號．測試結(jié)果如圖6所示．

圖6?測量所得的微懸臂梁不同諧振模態(tài)下的振幅

理論上矩形梁的前三階諧振模態(tài)如圖7所示．

圖6中，樣品振幅的正負代表樣品不同的振動方向．對比圖6和圖7可知，通過光學測量方法得到的振動信息和矩形梁的前三階諧振模態(tài)的理論振型具有較好的一致性．即測量結(jié)果和理論振型均為一階諧振頻率下，懸臂梁的振幅從固定端到尖端逐漸增大，尖端的振幅達到最大值，二階諧振頻率下，懸臂梁的振幅從固定端由０開始先增大后減小，減小到０后開始反方向逐漸增長，到梁的尖端達到最大值．三階諧振頻率下，懸臂梁的振幅從固定端由０開始先增大后減小，減小到０后開始反方向先增大后減小，再減小到０后繼續(xù)反方向增大，到梁的尖端達到最大值.

圖7?矩形梁的前三階理論振型

4?結(jié)?語

MEMS器件由于具有體積小、能耗低、品質(zhì)因數(shù)高、易于集成等優(yōu)良特性，在射頻和傳感領(lǐng)域占據(jù)著越來越重要的地位，而對MEMS的研究離不開對其振動特性的測量．基于外差干涉測量的思想搭建了一套MEMS振動模態(tài)測量系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)的設(shè)計原理及組成部分．通過對FBAR和微懸臂梁兩種樣品的振幅測試表征了本系統(tǒng)的測試性能．該系統(tǒng)可以測量的振動頻率范圍約幾十Hz到數(shù)GHz，振幅范圍約為1pm～10nm．本系統(tǒng)在具有較大測試帶寬的同時具有較高的測試靈敏度，可幫助研究者設(shè)計性能更加優(yōu)良的器件，也能在工業(yè)生產(chǎn)中用于檢測器件的缺陷，評價生產(chǎn)工藝．

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Heterodyne Interferometer for Characterizing Microstructures over Wide Frequency Range with High Sensitivity

Hu Xiaodong，Yang Yuan，Chang Xinyu，Lu Junsheng

(School of Precision Instruments and Optoelectronics Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

In this paper，we introduce a heterodyne interferometer for measuring the amplitudes of the highly sensitive vibrations of microstructures such as micro electro mechanical systems(MEMS)devices. The interferometer consists of an optical setup and a signal extraction circuit. The amplitude information of the sample is loaded onto the object beam using carrier technology. There is a frequency difference between the object beam and the reference beam produced by the acousto-optic modulator，and these two beams are combined in the mixer. The mixer outputs contain the original difference frequency signal and the difference frequency of the measurement information. The mixer outputs are demodulated via a signal extraction circuit and the amplitude information is subsequently calculated. This process requires low light intensity and effectively reduces the necessary excitation voltage，thus enabling less invasive measurements. It is also less vulnerable to slow but large ?uctuations in the optical path length and magnetic feedback. To demonstrate the effectiveness of the interferometer，we performed measurements on a film bulk acoustic resonator with a 2.1889GHz resonant frequency and a microcantilever probe of an atomic force microscope. The experimental results show that the heterodyne interferometer features measurement frequencies ranging from several tens of Hertz to 12GHz and amplitudes ranging from about 1pm to 10nm. Thus，the heterodyne interferometer meets the demands for vibration measurements with wide ranges of frequency and amplitude.

micro electro mechanical systems；heterodyne interferometry；film bulk acoustic resonator；microcantilever；amplitude

TK448.21

A

0493-2137(2021)05-0526-07

10.11784/tdxbz202003017

2020-03-12；

2020-09-20.

胡曉東(1974—??)，男，博士，教授，xdhu@tju.edu.cn.

楊?媛，565295963@qq.com.

國家重大科學儀器設(shè)備開發(fā)專項資助項目(2017YFF0107001)；國家自然科學基金資助項目(51775381)；天津市應用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計劃資助項目(2017KJ182)．

Supported by the National Key Scientific Instruments and Equipment Development Project(No. 2017YFF0107001)，the National Natural Science Foundation of China(No. 51775381)，Tianjin Research Program of Application Foundation and Advanced Technolgy (No. 2017KJ182).

(責任編輯：王曉燕)