利用低相干外差ldv技术表征封装硅mems器件的动态特性研究，对于差动保护来说变压器两侧的差动ct均应接成星型

文| 吴主任备忘录

编辑| 吴主任手记

MEMS 设备必须经过封装才能运行并免受环境影响。然而，由于MEMS 系统可能会受到机械应力，因此封装硅胶盖的应用是一个关键的工艺步骤。这可能会导致组件属性发生变化或MEMS 系统完全失效。

因此，对机械应力和单个缺陷部件的综合分析对于MEMS 开发、制造和质量控制非常重要。

理论与方法1. 激光多普勒振动测量

最先进的外差LDV 通常使用马赫曾德干涉仪以飞米分辨率精确测量两个干涉仪臂之间的光程长度差。其中一个臂中的声光调制器(AOM) 在臂之间产生恒定的频移，从而避免了与纯差分干涉测量相关的许多问题，例如寻找正确的工作点和低频噪声。 SUT 充当干涉仪内的镜子。

该移动改变了每个干涉仪臂的光路长度并改变了光束内的相对累积相位。 2.界面处的菲涅耳反射虽然硅对可见光不透明，但在近红外区域（1050 nm）表现出高透射率。因此，可以使用在红外光下工作的LDV 来测量硅封装器件的振动。由于硅（1550nm 处nSi=3.48）和空气/真空（n0 1）之间的折射率差异较大，MEMS 器件中的所有这些界面都会发生较大的菲涅耳反射。

假设封装器件层的结构通常与上图类似，则只有大约7% 的SUT 入射光强度可用于多普勒振荡测量。 3. 杂散光对测量精度的影响LDV 测量的物体的速度不仅取决于MEMS 器件本身的位移，还取决于返回测量头的所有反射的速率和相位。内部材料界面甚至结构内部的多次反射、二次反射。平衡传感外差LDV干涉仪的输出电流为：

SUT 的瞬时位置由输出电流决定。

根据设备的几何形状，一些杂散反射可能会产生重大影响。它们对测量误差的综合贡献由电场总和给出，电场总和取决于所有源（包括多次反射）的相对幅度和相位。

如果(1) 中的杂散贡献之和不等于0，则测量的SUT 位置z'(t) 会失真。后者定义为检测器输出处的杂散贡献与SUT 贡献的比率，或杂散强度。

由于MEMS器件的振荡幅度通常远小于测量波长， z ，当杂散强度超过30 dBc时，测量幅度的精度会降低，并且频谱中的杂散线会显着增加。

杂散光抑制1. 共焦抑制

由于共焦的存在，离焦光的干扰已经在一定程度上被抑制，具体取决于焦深。

对于近轴高斯测量光束，后者可以通过瑞利长度zR 来量化，并且远离焦平面zR 的表面处的杂散反射被抑制为两倍。方程（4）给出了距焦平面任意距离z 处平面反射的共焦干涉效率con。对于某些杂散反射的低干扰效率对应于对测量结果的高抑制效果。

2.相干抑制相干时间是光源相位稳定性的度量。如果输出相位不随时间变化，则较晚发射的光会有效地干扰较早发射的光。

探测器电流减少6 dB 时干涉仪臂之间的时间延迟称为源相干时间。相应的臂长差或光程差OPD=2z，其中z 是干涉仪参考臂上的相对反射镜位置，称为源相干长度lcoh。

假设高斯光谱并知道低相干源的中心波长 和FWHM ，相干长度可以计算为：

相干干扰效率等于给定时间差下的复相干性。方程（6）给出了高斯功率谱密度源的数学表达式。这是超辐射发光二极管(SLED) 的良好近似值。

与洛伦兹共焦抑制杂散强度相比，相干效率对路径长度差具有高斯exp(-z2) 依赖性，因此它可能能够更有效地抑制离焦光。此外，在相干抑制的情况下，共焦仍然存在，提高了n面杂散反射的整体抑制效率。

通常，LDV 使用相干长度长达数公里的激光源，因此在没有其他影响的情况下相干效率的幅度是无限的。

如果z 进一步减小并且相位杂散的贡献超过SUT 的贡献，则测得的振荡的相位会反转。第三次反射在z 70 m 处产生偏差峰值。在这里，长杂散路径的共焦效率被最大化。在实验中可以清楚地观察到该峰。

由于相对杂散信号的相位连续变化，因此观察到的偏差在上限和下限之间变化，并且测量的幅度根据窗口和血小板之间的距离以/2的周期变化，变化很快。无论哪种情况，都可以考虑以下事项：四分量模型（参考波、SUT 和两个杂散贡献）可以通过简单的方式进行近似。

对于低放大倍率物镜，由于焦深增加和共焦抑制减少，偏差显然更严重。

实验验证测试设置使用专用测试设置来研究改进的信号精度（图4）。该装置基于带有SLED 光源的外差红外振动计显微镜，允许调整参考光束的路径长度，以适应不同的目标以及MEMS 器件内不同层的分离。由于光源通过标准光纤连接与干涉仪相连，因此SLED 可以取代激光光源，并在相同的光学设置中执行直接比较测量。低相干光源为SLED光源，中心波长约为1550nm，相干长度约为12.1m。

图4

为了进行比较测量，使用了1550 nm 稳定红外激光。测振显微镜配备了短波红外摄像头和1300nm 左右的宽带红外照明，可以通过硅封装观察样品并定位测量光束。

信号光通过厚度为dw=25010m的硅窗聚焦在正弦波驱动的硅板表面（驱动频率为20kHz，振荡幅度为5nm）。

在开始测量之前，将硅窗和片材彼此平行对齐并垂直于入射光束对齐。由于硅窗的轴向位置是可调的，因此可以使用具有纳米精度的自动压电平台来改变驱动片晶和硅窗之间的距离，同时可以测量片晶的振动幅度。

硅窗口和小板的比较图5中的实线显示了测量的相对幅度偏差（即测量误差）以及硅窗口和驱动小板之间的间隙。虚线是根据Yarovoi和Siegmund给出的公式对最大幅值偏差的理论估计。仅考虑表面2 的一次反射和表面212 的三次反射（与图1 相比）产生的杂散贡献，共焦效率是对折射率变化进行适当校正的近轴高斯光束。使用模型估计。

图5

当z 很小时，单次反射危害最大，因为SUT 反射可以被异相杂散贡献完全抵消。

如果没有其他贡献，被测物体的幅度偏差将是无穷大。如果z 进一步减小并且相位杂散的贡献超过SUT 的贡献，则测得的振荡的相位会反转。

第三次反射在z 70 m 处产生偏差峰值。在这里，长杂散路径的共焦效率被最大化。在实验中可以清楚地观察到该峰。

由于相对杂散信号的相位连续变化，因此观察到的偏差在上限和下限之间变化，并且测量的幅度根据窗口和血小板之间的距离以/2的周期变化，变化很快。无论哪种情况，都可以考虑以下事项：四分量模型（参考波、SUT 和两个杂散贡献）可以通过简单的方式进行近似。对于低放大倍率物镜，由于焦深更深和共焦抑制减少，偏差显然更严重。与激光测量相比，使用图5(b) 和(d) 所示的SLED 光源进行的比较测量对于远小于20 m 的轴向距离产生正确的振幅测量。测量的振幅基本上不受大轴向距离的影响，这证明了使用SLED 光在封装硅MEMS 设备中进行振动测量的优势。

当SUT与杂散反射源之间的距离为10m时，用共焦或相干方法抑制杂散光变得越来越困难，但相干抑制观察到的幅度偏差仍然可以显着减小。

光学相干断层扫描（OCT）中也存在类似的未决问题，其目标是提高深度分辨率以分离密集的散射体。

封装MEMS 器件的测量通过弯曲梁上的硅窗口进行测量在真实的MEMS 器件上进行了额外的测量，以使用新的测量系统设计进一步比较低相干性和共焦抑制。这些测量是使用改进的红外显微镜进行的，该显微镜可以进行二维扫描测量和模态形状分析。 SLED的中心波长约为1550nm，相干长度约为14m。

所测试的MEMS器件配备压电驱动的自由端悬臂梁，盖板采用厚度为dw=25010m的硅窗口。

图6

光学系统通过硅窗口聚焦在移动悬臂表面上，该表面对应于图中的表面3。使用5倍放大镜，瑞利长度zR200m。悬臂梁被激励，同时测量三个最长梁在不同表面点的振动幅度。

出现了几个不同的最大值，每个最大值都可以追溯到图中表面1、2 和3 的单个菲涅耳反射。

信号强度的差异是由于共焦抑制和相对菲涅耳反射强度造成的。通过将峰值1 和峰值 884 m 之间的测量距离除以硅的折射率，确定硅盖的厚度为 250 m。在此特定设置中，相关的移动MEMS 表面距封装约670 m。

对于单次共焦测量，我们用1550 nm 红外激光替换了测振仪装置中的低相干红外光源。使用相同的5 倍放大镜头，瑞利范围为zR 200 m。所有其他参数保持不变：激光聚焦、对准和激发。 102.4 kHz、164.4 kHz 和267.3 kHz 处的峰值对应于三种梁主弯曲模式，并且频率随着梁长度而降低。

669.1 kHz 处的峰值对应于最长梁的二阶弯曲模式。除了电子设备引起的小而窄的尖峰外，噪声水平在300-600 kHz 频率范围内达到约140fm。考虑到测量分辨率约为6.1 Hz，所得分辨率约为57 fm Hz-0.5。

总结和结论在这项研究中，我们提出了一种新颖的低相干外差IR-LDV 技术，以在理论上和实验上实现封装硅MEMS 器件的可靠且有意义的测量。

与仅使用共焦抑制技术的测量相比，由于不可避免的菲涅耳反射而产生的杂散光可以得到有效抑制。

为了证实这种增强的抑制效果，使用基于外差红外测振显微镜的专用实验装置来测量硅窗口在不同距离处发出的杂散光引起的振幅偏差，并测量SLED与标准的振幅偏差的直接比较激光现在已经成为可能。

仅使用20 倍物镜共焦抑制可在5-100 m 分析距离范围内导致高达3 倍的振幅变化。另一方面，使用lcoh=12.1 m 的SLED 光源显着提高了测量幅度的保真度。距离大于20 m 时的低相干性测量显示没有幅度偏差。这也与基于该模型的理论预测非常吻合。杂散光抑制的唯一限制是光源的最小相干长度。对MEMS 悬臂样品的额外测量为利用低相干光进行封装MEMS 模态分析提供了基础，因为使用和不使用硅窗口进行的测量没有差异。振幅分辨率低至约57fm Hz-0.5，与激光的标准振动测量相当。

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