具有宽频带高灵敏度的微振动外差干涉测试仪

胡晓东，杨 媛，常新宇，卢钧胜

具有宽频带高灵敏度的微振动外差干涉测试仪

胡晓东，杨 媛，常新宇，卢钧胜

(天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津 300072)

针对微机电系统等微纳米尺度器件的振幅测量，基于外差干涉原理设计开发一种微振动模态测试系统，由光路和解析电路两部分构成，在光路中利用载波技术将被测样品的振幅信息加载到被测光信号上，被测光信号与参考光信号之间原本存在一个由声光调制器产生的频率差，当被测信号与参考信号经光电探测器混频后，可得到一个参考差频信号及一个载有被测物理量信息的差频信号，之后在电路中对这两个信号进行电路解调即可得到被测样品的振幅信息．该测量方式降低了测量过程对光强的要求，降低了样品所需的激励电压，避免了对样品表面的破坏，同时测量不会受到光程波动和电磁反馈的影响，提高了测量速度，降低了测量误差．通过实验测试了谐振频率为2.1889GHz的薄膜体声波谐振器的振幅和原子力显微镜微悬臂梁探针前三阶谐振动模态的振幅，实验表明该系统可以测量的振动频率范围约为几十Hz到数GHz，振幅范围约为1pm～10nm，因此本振动模态测量系统可以同时满足高测量带宽和高测试灵敏度的测试需求．

微机电系统；外差干涉测量；薄膜体声波谐振器；微悬臂梁；振幅

笔者采用了外差干涉方法将带有样品振动信息的物光和经声光调制器产生差频的参考光对比进行非接触式测量，降低了测量过程对光强的要求，降低了样品所需的激励电压，避免了对样品表面的破坏，同时测量不会受到光程波动和电磁反馈[8]的影响．通过偏振分光棱镜调整物光和参考光的光强，在解析电路中调整功率放大器和衰减器数量及位置提高了测试精度．对FBAR和微悬臂梁两种不同谐振频率的MEMS器件进行测量．该系统的振动频率范围约为几十Hz到数GHz，振幅范围约为1pm～10nm，与现有的测试技术相比，实现了高测量带宽和高测试灵敏度．

1 外差干涉测量系统工作原理

带有样品振动信息的被测信号和经过声光调制器产生的参考信号在光路系统中混合、干涉，干涉后的光信号由光电探测器接收并转化为电信号，然后传输到电路系统中进行信号处理．

经余弦展开可得

经积化和差可得光电检测器接收到的信号近似正 比于

(7)

2 外差干涉测量系统的设计

2.1 光路部分

激光器发出的单模稳频激光经过光隔离器、反射镜、1/2 波片到达偏振分光棱镜．1/2 波片起到调节物光和参考光强弱的作用．光束经过偏振分光棱镜分为向上传播的反射光(作为测量所用的参考光)，以及向前传播的透射光(作为物光)．参考光继续传播经过声光调制器进行调制，产生一个40MHz的频移，经过两次反光镜的反射照到分光棱镜上面，其中经过声光调制器的激光分为两束，一束为一级衍射光，一束为 0级衍射光，0级衍射光的频率未发生改变，作为干扰光，通过在分光棱镜上放置空间滤波器进行过滤，一级衍射光经过偏振分光棱镜的反射进入光电探测器．物光经过偏振分光棱镜、1/4 波片后经过反射镜、物镜汇聚照射在样品上，之后经被测样品反射，原路返回并照射到偏振分光棱镜上，物光经过两次 1/4 波片，偏振方向和原来相比发生了对称变换，因此经过偏振分光棱镜时只能被反射，之后照射到反射镜上，然后透过分光棱镜与参考光发生干涉，之后被光电探测器接收．外差干涉测量系统的光路部分如图1所示．

图 1 外差干涉测量系统光路部分

2.2 电路部分

外差干涉测量系统的电路部分如图2所示．

1—光电探测器；2～6—射频信号发生器；7—功率分离器；8～10—低噪声放大器；11、12—混频器；13、14—低通滤波器；15、16—锁相放大器；17—数据采集卡；18—位移台；19—样品；20—声光调制器

2.3 系统测试时间和测试带宽

首先介绍本套系统中锁相放大器和计算机中的信号处理过程．锁相放大器将输入信号和内部的参考信号混频，然后混频信号经过一个低通滤波器实现低通滤波．图3为混频之后的信号处理过程．

口岸的工作在一年四季中都没有停歇的时刻，坚守口岸工作岗位的各类工作人员是口岸运行得以畅通、平稳、高效的基础。这份工作责任重大，每一次边检不仅仅是代表从一地区进入另一地区的简单检查，更代表的是国家形象，是国家能力、国家技术水平和国家形象的综合体现。而常年驻守在这里的另一批人，是来自全国各地的边防战士和武警官兵，二连浩特的冬天是十分寒冷的，即使是大白天提着杯子出去走一圈杯子里的水也会结冰。二连浩特口岸是距离祖国伟大首都最近的陆上口岸，是保卫首都安危的重要门户，即使环境在如何艰苦，他们都无怨无悔，驻守在祖国北方的门户，忠诚守护着祖国的北大门，保卫着祖国北方领土、主权的完整和安全。

图3 信号处理过程

当系统满足

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

此时测试带宽变为

3 激光外差干涉测量系统对MEMS器件的振幅测量

通过对薄膜体声波谐振器和微悬臂梁两种谐振频率和振幅差别较大的MEMS器件进行测量来表征本外差干涉测量系统的性能．射频器件对不同频率的信号的输出效率并不同，而光外差法是对两个不同频率信号求比值的方式求得幅值，需要将频率响应计算在内，频率响应通过扫频和最小二乘拟合计算得出．采集了位移台控制软件允许范围内的90μm×90μm的大面积扫图．

对谐振频率为2.1889GHz的FBAR进行测试，样品模型如图4所示．

图4 实验样品模型

分别对样品施加幅值为0dBm、18dBm的驱动电压，采集的图像质量相同，测试结果如图5所示，其中横纵坐标表示样品上的不同位置，色标表示的是不同样品点上的振幅．测得FBAR在18dBm驱动下振幅约为0.2～0.3nm，在0dBm驱动下振幅约为25～50pm，整个工作区域的振幅重复性较好．采集的图像会出现某些不合格点，这种现象是由于放大器电源不稳定以及样品表面存在缺陷引起的．

图5 不同驱动电压下获得的样品大范围振幅

对固定在压电陶瓷上并由其驱动的微悬臂梁样品前三阶谐振模态的振幅测量．扫频得出其一阶谐振频率为342.22kHz，二阶谐振频率为1.9555MHz，三阶谐振频率为5.075MHz．由于随着样品谐振模态阶数的增加，所施加的激励信号频率也逐渐增大，超过了压电陶瓷的谐振频率，因此为了获得较为明显的振幅图像，在微悬臂梁的高阶谐振模态下需要给压电陶瓷施加更大的驱动电压．一阶谐振频率下所施加的驱动为5mV的交流信号，二阶谐振频率下施加的驱动为60mV的交流信号，三阶谐振频率下施加的驱动为800mV的交流信号．测试结果如图6所示．

图6 测量所得的微悬臂梁不同谐振模态下的振幅

理论上矩形梁的前三阶谐振模态如图7所示．

图6中，样品振幅的正负代表样品不同的振动方向．对比图6和图7可知，通过光学测量方法得到的振动信息和矩形梁的前三阶谐振模态的理论振型具有较好的一致性．即测量结果和理论振型均为一阶谐振频率下，悬臂梁的振幅从固定端到尖端逐渐增大，尖端的振幅达到最大值，二阶谐振频率下，悬臂梁的振幅从固定端由０开始先增大后减小，减小到０后开始反方向逐渐增长，到梁的尖端达到最大值．三阶谐振频率下，悬臂梁的振幅从固定端由０开始先增大后减小，减小到０后开始反方向先增大后减小，再减小到０后继续反方向增大，到梁的尖端达到最大值.

图7 矩形梁的前三阶理论振型

4 结 语

MEMS器件由于具有体积小、能耗低、品质因数高、易于集成等优良特性，在射频和传感领域占据着越来越重要的地位，而对MEMS的研究离不开对其振动特性的测量．基于外差干涉测量的思想搭建了一套MEMS振动模态测量系统，介绍了系统的设计原理及组成部分．通过对FBAR和微悬臂梁两种样品的振幅测试表征了本系统的测试性能．该系统可以测量的振动频率范围约几十Hz到数GHz，振幅范围约为1pm～10nm．本系统在具有较大测试带宽的同时具有较高的测试灵敏度，可帮助研究者设计性能更加优良的器件，也能在工业生产中用于检测器件的缺陷，评价生产工艺．

［1］ Bogue R. Recent developments in MEMS sensors：A review of applications，markets and technologies[J]. Sensor Review，2013，33(4)：300-304.

［2］ Fattinger G，Tikka P. Modified Mach-Zender laser interferometer for probing bulk acoustic waves[J]. Appllied Physics Letter，2001，79(3)：290-292.

［3］ Graebner J，Barber B，Gammel P，et al. Dynamic visualization of subangstrom high frequency surface vibrations[J]. Appllied Physics Letters，2001，78(2)：159-161.

［4］ Lipiäinen L，Kokkonen K，Kaivola M. Phase sensitive absolute amplitude detection of surface vibrations using homodyne interferometry without active stabilization[J]. Appllied Physics，2010，108(11)：114510-1-114510-5.

［5］ Lipiäinen L，Kokkonen K，Kaivola M. Homodyne full-field interferometer for measuring dynamic surface phenomena in microstructures[J]. Opt Laser Eng，2017，88：178-183.

［6］ Paulo A S，Liu X，Bokor J. Scanning acoustic force microscopy characterization of thermal expansion effects on the electromechanical properties of film bulk acoustic resonators[J]. Applied Physics Letters，2005，86：1-3.

［7］ Ryder S，Lee K B，Meng X，et al. AFM characterization of out-of-plane high frequency microresonators[J]. Sensors & Actuators A Physical，2004，114(2)：135-140.

［8］ Kokkonen K. Laser interferometers in physical acoustics[C]// 2009 IEEE International Ultrasonics Symposium. Roma，Italy，2009：1036-1043.

［9］ Knuuttila J V，Tikka P T，Salomaa M M. Scanning Michelson interferometer for imaging surface acoustic wave fields[J]. Optics Letters，2000，25(9)：613-615.

［10］ Telschow K L，Deason V A，Cottle D L. Full-field imaging of gigahertz film bulk acoustic resonator motion[J]. IEEE Trans Ultrason Ferroelect Freq Contr，2003，50：1279-1285.

［11］ Tachizaki T，Muroya T，Matsuda O，et al. Scanning ultrafast Sagnac interferometry for imaging two-dimensional surface wave propagation[J]. Review of Scientific Instruments，2006，77(4)：27-29.

［12］ Kimmo K，Matti K. Scanning heterodyne laser interferometer for phase-sensitive absolute-amplitude measurements of surface vibrations[J]. Applied Physics Letters，2008，92(6)：063502.

［13］ Nilsson J W，Riedel S A. Nilsson，Riedel—Electric Circuits[M]. 6th ed. Upper Saddle River：Prentice Hall，2003.

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 fluctuations 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.

胡晓东(1974—  )，男，博士，教授，xdhu@tju.edu.cn.

杨 媛，565295963@qq.com.

国家重大科学仪器设备开发专项资助项目(2017YFF0107001)；国家自然科学基金资助项目(51775381)；天津市应用基础与前沿技术研究计划资助项目(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).

(责任编辑：王晓燕)