（工程力学专业论文）微电子机械系统（MEMS）中的光学测试方法研究.pdf

摘要 摘要 微电子机械系统( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ，m e m s ) 是近年来国际上兴起 的一个新的研究领域，是新一轮技术产业革命。目前，世界各国对m e m s 的投入力度 在逐年增大，然而，m e m s 的应用却比预期的要慢，其中主要原因是m e m s 器件的可 靠性不能得到保证。除了为数不多的m e m s 产品进入市场外，相当一部分m e m s 器件 依然停留在实验室阶段。影响m e m s 器件可靠性的一个重要因素就是微尺度材料的力 学性能，因为在微观领域材料性能出现尺寸效应，表现出与宏观材料的巨大性能差异， 因此，需要在实验的基础上建立m e m s 材料数据库。而光学方法是目前m e m s 材料力 学性能研究的主要途径，所以，m e m s 光学测试技术和方法的研究具有重要意义。 本文首先阐述了m e m s 的起源、概念、特点及其应用前景，指出了当前m e m s 发 展急需解决的问题，综述了光学测试技术和方法的研究现状，说明了光学测试技术和方 法在m e m s 测量中的重要地位。 三维形貌和离面变形的光学测量是m e m s 设计和制作中最基本的测试技术。文中 较全面地总结了三维形貌的光学测量方法，分析了光学条纹图的各种处理技术，重点讨 论了相位展开问题，这是信息提取的一个重要必经环节。在此基础上提出种基于最小 相位截面差的相位展开算法，为后续章节条纹图的处理打下基础。 m e m s 器件可动电极的偏转角同驱动电压之间的函数关系是m e m s 器件的一个重 要性能参数，也是影响m e m s 器件可靠性和寿命的一个因素。本文用显微投影技术结 合相移法研制了显微三维轮廓仪，并用该仪器研究了m e m s 微镜和m e m s 光开关可动 电极的偏转角同驱动电压之间的关系，为优化m e m s 器件工作性能参数提供一定的参 考依据。 相移法是国际上公认的最可靠、精度最高的条纹处理方法，但以往的相移法需要三 幅或三幅以上条纹图才能解调出相位信息。为减少图像采集时间和提高测量速度，本文 提出两步相移法，该方法只需两幅相位差为n 的条纹图即可解调出相位信息，且数据处 理简单、快速。该方法用于微镜电极板的三维形貌测量，取得满意结果。 薄膜是m e m s 中最常用的材料，其力学性能的研究对提高m e m s 器件的可靠性和 寿命具有重要意义。本文提出数字散斑分步相关法，并用该方法测量了聚酰亚胺，二氧化 硅( 硅硫酸s i ( o n ) 。高温脱水) 复合材料薄膜的弹性模量和泊松比。 谐振法是材料力学性能的一种动态测试方法，通常该方法需要专门的激振装置和精 确的位移测量机构。本文提出一种新的谐振法时间积分成像法，该方法不需复杂的 激振装置，位移测量也很简单。文中用该方法测量了悬臂梁的弹性模量，并同电测法 测量结果进行了比较，证实了该方法的可行性。 关键词：微电子机械系统( m e m s ) ：力学性能；三维形貌；栅线投影；相移法；数字散 斑相关法；m e m s 光开关；m e m s 微镜；薄膜；谐振法 东南大学博士学位论文 a b s t r a c t m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ( m e m s ) i san e wa r e aw h i c hs p r i n gu par e s e a r c h u p s u r g ei nt h ei n t e r n a t i o n a l i t yi nr e c e n ty e a r s ，m e m si san e i t h e rt e c h n o l o g yr e v o l u t i o n a t t h e p r e s e n tt i m e ，t h ea p p l i c a t i o n o fm e m si ss l o w e rt h a nt h a t e x p e c t e da l t h o u g ht h e i n v e s t m e n to f e v e r yc o u n t r ya r ei n c r e a s i n ge v e r yy e a r t h em a i nr e a s o ni st h a tt h er e l i a b i l i t y o fm e m s p r o d u c tc a nn o tb ee n s u r e d a l o to fm e m s p r o d u c ta r en o w s t i l li nt h el a b o r a t o r y e x c e p taf e wp r o d u c t sh a v eb e c o m e m e r c h a n d i s e t h em a i ni n f l u e n c ef a c t o rf o rt h er e l i a b i l i t y o fm e m sp r o d u c t sl i e si nt h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o ft h em i c r om a t e r i a l s t h em i c r o m a t e r i a l ss h o wt h er e m a r k a b l ed i f f e r e n c ec o m p a r e dw i t ht h em a c r om a t e r i a l sb e c a u s et h e s c a l i n ge f f e c t s s oe s t a b l i s h i n gan e wm a t e r i a l d a t a b a s eb a s e do nt e s t i n gi s n e c e s s a r ya n d u r g e n t ，a tp r e s e n t st h eo p t i c a lm e t h o d sa r et h em a i na p p r o a c h e st ot h em e c h a n i c a lp r o p e r t y s t u d yo ft h em e m sm a t e r i a l s s o i ti s v e r yi m p o r t a n tt os t u d yt h eo p t i c a lm e a s u r e m e n t m e t h o d so fm e m sm a t e r i a l s f i r s t ，t h eo r i g i no fm e m s ，t o g e t h e rw i t ht h ec o n c e p t i o n ，t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dt h e a p p l i c a t i o nf o r e g r o u n do fm e m s a r ei l l u s t r a t e ds e p a r a t e l yi nt h i sd i s s e r t a t i o n ，a n dt h eu r g e n t p r o b l e mi nm e m s i sa l s op o i n t e do u t t h es t a t eo ft h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fo p t i c a l m e a s u r e m e n tm e t h o d sa r er e v i e w e ds u b s e q u e n t l y , a n dt h ei m p o r t a n c eo fo p t i c a lm e t h o d si n m e m s s t u d y i se m p h a s i z e d f i n a l l y 3 一ds h a p ea n d o u t p l a n ed e f o r m a t i o nm e a s u r e m e n t a r et h ee s s e n t i a lt e c h n i q u ei nm e m s d e s i g n a n df a b r i c a t i o n i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ev a r i o u s o p t i c a l m e t h o d sf o r3 - ds h a p e m e a s u r e m e n t ，t h et e c h n i q u e sf o rf r i n g ep a t t e r n sp r o c e s s i n ga r es u m m a r i z e di nd e t a i l ，a n dt h e p h a s eu n w r a p p i n gp r o b l e mi sd i s c u s s e d f i n a l l ya n e w p h a s eu n w r a p p i n ga l g o r i s m ，w h i c hi s b a s e do nt h el e a s t - p h a s e s e c t i o n ，i sp r o p o s e da n dt h en e wa l g o r i t h mm a k e sg r o u n d w o r kf o r t h ef r i n g ep r o c e s s i n gi nf o l l o w i n g c h a p t e r s t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h er o t a t i o n a n g l eo fm o v a b l ee l e c t r o d e a n dt h ev a l u eo f a c t u a t i o nv o l t a g ei sa ni m p o r t a n tp a r a m e t e ri nm e m s a p p a r a t u s ，i ti sa l s oai m p o r t a n tf a c t o r f o rt h er e l i a b i l i t ya n dl i f e t i m eo fm e m s p r o d u c t s a3 - d m i c r o p r o f i l e ri sd e v e l o p e du s i n g t h e m i c r op r o j e c t i o na n dp h a s e s h i f t i n gt e c h n i q u ei nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n r o t a t i o na n g l eo ft h em o v a b l ee l e c t r o d e so fm i c r o m i r r o ra n do p t i c a ls w i t c ha n dt h ea c t u a t i o n v o l t a g ev a l u e sa r em e a s u r e du s i n g t h i sn e w a p p a r a t u sa n d ag o o dr e s u l ti so b t a i n e dw h i c hc a n b eu s e da sar e f e r e n c ev a l u ef o rt h ed e s i g na n df a b r i c a t i o no fm e m s a p p a r a t u s t h ep h a s e - s h i f t i n gt e c h n i q u ef o rf r i n g ep r o c e s s i n gi sr e g a r d e da st h eb e s tm e t h o di n r e l i a b i l i t y a n d p r e c i s i o n i nt h e i n t e r n a t i o n a l i t y h o w e v e r t h e p r e v e n i e n tp h a s es h i f t i n g m e t h o d sn e e da tl e a s tt h r e ef r i n g ep a t t e r n st oe x t r a c tt h ep h a s ei n f o n n a t i o n i nt h i sd i s s e r t a t i o n an e wp h a s e s h i f t i n ga l g o r i s mi sp r o p o s e di no r d e rt os h o r t e nt h et i m eo fi m a g i n ga n dt h e - - 摘要 c o m p u t i n gt i m e t h en e wp h a s e s h i f t i n gm e t h o dn e e d so n l yt w of r i n g ep a t t e r n s t oo b t a i n p h a s ev a l u e ，a n dt h ed a d ap r o c e s s i n gi ss i m p l ea n dr a p i d a sa na p p l i c a t i o ne x a m p l e t h e3 - d s h a p e o fa ne l e c t r o d ei se v a l u a t e d b y u s eo ft h i sn e wm e t h o da n da g o o d r e s u l ti so b t a i n e d f j l mi sak i n do fm a t e r i a l f r e q u e n t l yu s e d i nm e m s t h es t u d yo ft h em e c h a n i c a l p r o p e r t yo ff i l mi sv e r yi m p o r t a n tf o rt h er e l i a b i l i t ya n dt h el i f e t i m eo ft h em e m sp r o d u c t s a ni m p r o v e dm u l t i s t e pd i g i t a ls p e c k l ec o r r e l a t i o nm e t h o d ( d s c m ) ，w h i c hc a nb eu s e d ，f o r b i g g e rd e f o r m a t i o nm e a s u r e m e n t ，i sp r o p o s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h ey o u n g sm o d u l u sa n d t h ep o i s s o n sr a t i oo fp o l y i m i d e s i 0 2 c o m p o u n dm a t e r i a la r eo b t a i n e du s i n gt h i si m p r o v e d d s c m h a r m o n i o u sv i b r a t i o nm e t h o di sa d y n a m i ca p p r o a c h f o rm e c h a n i c a l p r o p e r t y m e a s u r e m e n to fm a t e r i a l s u s u a l l yas p e c i a le x c i t a t i o ne q u i p m e n ta n da c c u r a t ed i s p l a c e m e n t m e a s u r e m e n to p t i c a ls e t u pa r en e c e s s a r yt oo b t a i nt h ei n h e r e n tv i b r a t i n gf r e q u e n c yo fa s p e c i m e ni nt h ed y n a m i cm e t h o d i nt h i sd i s s e r t a t i o nan e w h a r m o n i o u sv i b r a t i o nm e t h o d t i m ei n t e g r a li m a g i n gm e t h o di s p r o p o s e d i n t h i sn e wm e t h o dn om o r ee q u i p m e n t sf o r e x c i t a t i o na n dd i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e n ta r en e e d e d t h ey o u n g sm o d u l u so fac a n t i l e v e r b e a mi sm e a s u r e du s i n gt h i sn e wa p p r o a c h ，a n dac o m p a r i s o nw i t ht h er e s u l to b t a i n e du s i n g t h et r a d i t i o n a le l e c t r i c a lm e t h o ds h o w st h a tt h ep r o p o s e da p p r o a c hi saf e a s i b l ew a yf o rt h e m e c h a n i c a ip r o p e r t i e sm e a s u r e m e n t k e y w o r d s ： m i c r o - e l e c t r o m e c h a n i c a l s y s t e m( m e s m ) ； m e c h a n i c a l p r o p e r t y ； t h r e e d i m e n s i o n a ls h a p e ；f r i n g ep r o j e c t i o n ；p h a s es h i f t i n gm e t h o d ；d i g i t a ls p e c k l ec o r r e l a t i o n m e t h o d ( d s c m ) ；m e m so p t i c a ls w i t c h ；m i c r o m i r r o r ；f i l m ；h a r m o n i o u sv i b r a t i o n m e t h o d 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：幺虹日期：血 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名： 导师签名：妈望匕日期：w 。 第一章绪论 1 1 m e m s 概况 第一章绪论 科学的进步总是在拓展着人们的感知器官，人们在通过显微镜观察大自然造就的微 观世界奇妙景观的同时，也在试图改变着微观世界，以改变自身的生存空间和生活环境。 早在1 9 5 9 年，著名物理学家r i c h a r dp f e y n m a n 就曾预言u j ，系统的微小型化与低温、 高压物理方面的研究一样，将具有广阔的发展空间和重要意义。如今r i c h a r drf e y n m a n 的预言实现了，一个微小型化革命正在全球范围内悄然兴起，它就是新近兴起的一个崭 新研究领j 爨一微电子机械系统( m i c r o - e l e c t r o m e c h a n i c a l s y s t e m ，m e m s ) 。 1 1 1 m e m s 及其特点 微电子技术的发展，不仅使计算机与信息技术等领域面貌一新，而且在许多领域引 发了一场微小型化革命。8 0 年代初，一些有远见的科学家如荷兰科学家s ，m i d d e l h o e k 教授【2 j 、美国的r s m u l l e r 教授1 3 1 曾提出了微机械传感器的概念。几年之后，1 9 8 7 年加 利福尼亚大学b e r k e l e y 分校的华裔留美学生范龙生等人，在第四届国际固态传感器与执 行器会议上报道了用表面微加工技术制成的多晶硅齿轮、带活动接头的连杆、导轨、滑 板和弹簧等微机械部件，引起了国际科学界的震动，不到一年，范龙生等人又研制成功 了直径仅为6 0 u m 的静电马达【4 j ，这一事件标志着一个新兴领域m e m s 的诞生。 m e m s 是集微传感器、微执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源 于一体的能完成一个或多个功能的微器件或微系统 】。它将微电子技术和精密机械加工 技术融合起来，实现了微电子与微机械的巧妙结合，其目标是把信息的获取、处理和执 行集成在一起，形成具有多功能的智能化微系统。 l 力卜+ i 光卜 传执 1 声卜 1 温度卜 感行 化学卜 器 叫与其它系统的通信，接口卜 器 1 其他卜 图1 1m e m s 基本组成及其和外部世界相互作用 f i g ，1 ，1c o m p o s i n g o f m e m sa n dt h ei n t e r a c t i o nw i t ht h ew o r l d 图1 1 所示为典型的m e m s 系统与外部世界相互作用示意图。作为输入信号的自然 界各种信息通过传感器转换成电信号，经过信号处理( 包括模拟数字信号之间的转换) 后再通过微执行器对外部世界发生作用。至于m e m s 的确切定义，目前国际上尚没有 东南大学博十学位论文 一个权威性机构来统，一般指特征尺寸从u m 到m m 量级的微系统。也有人建汉采用 加工量级来定义，即不管构件尺寸的大小，凡是涉及到微观尺寸的加工工艺的均应视为 m e m s 刚。 m e m s 一词最初来源于1 9 8 9 年美国国家自然科学基金会( n s f ) 主办的微机械加 工技术讨论会的总结报告“m i c r o e l e c t r o nt e c h n o l o g ya p p l l e dt oh e c t r i c a lm e c h a n i c a l s y s t e m ”，是美国惯用语，美国在这一方面的研究主要是在半导体集成电路工艺基础上 的延伸和拓展。在欧洲则称为微系统( m i c r o s y s t e m ，m s ) ，更强调系统的概念，即如 何把多个微型传感器、执行器、处理电路等元部件集成为一个智能化的有机整体。在精 密机械加工方面有传统优势的日本则称为微机器( m i c r o m a c h i n e ，m m ) 1 7 o m e m s 的制造加工技术目前主要有三种：一是以美国为代表的以集成电路加工技术 为基础的硅基加工技术，主要包括各向异性腐蚀技术、键合技术和表面牺牲层技术；二 是以德国为代表的l i g a 技术，l i g a 是德文l i t h o g r a p h i e ( 光刻) ，g a l v a n o f o r r n u n g ( 电 铸) 和a b f o v m u n g ( 塑铸) 这三个词生成的缩写词。该技术包括三个工艺过程：深层同 步辐射x 射线光刻、电铸成形和塑铸，它可以进行三维任意方向几何形状微结构的制作， 较硅微加工技术有很大的飞跃；三是以日本为代表的精密机械加工技术，即用大机器制 造小机器，再用小机器制造微机器。 m e m s 是一个多学科交叉的前沿领域，其研究几乎涉及到自然及工程科学的所有领 域，如微机械学、微电子学、微光学、微动力学、微流体力学、微摩擦学以及物理学、 化学、生物学和材料学等。和传统的机电系统相比，m e m s 有其独特的优点： 1 体积小、重量轻m e m s 器件一般在微米到毫米范围之内，能进入大尺寸系统所 不能达到的小空间及人类不能进入的高温、放射等各种恶劣环境完成各种任务。 2 能耗低、惯性小、谐振频率高及响应速度快m e m s 所消耗的能量远小于传统机 械的十分之一，但却以十倍以上的速度来完成工作，易于信号实时处理。 3 性能稳定、可靠性高由予m e m s 体积很小，几乎不受热膨胀、噪声和挠曲等 因素的影响，具有较高的抗干扰性，可在较差的环境下进行稳定的工作。 4 可批u 量生产m e m s 采用类似集成电路( i c ) 的生产工艺和加工过程，可以象超 大规模集成电路芯片一样一次制成大量的完全相同的部件。批量生产可大大降低生产成 本。 5 高度集成化m e m s 可以把不同功能的多个传感器和执行器集成于一体，或形成 微传感器阵列、微执行器阵列，甚至把多种功能的器件集成在一起，形成复杂的微机电 系统。 6 多学科交叉性m e m s 涉及电子、机械、材料、信息与自动控制、物理、化学和 生物学等多种学科，并集中了当今科学技术发展的许多尖端成果。 7 以硅为主要材料硅的强度、硬度与铁相当，密度类似铝，导热率接近铜和钨， 因此，m e m s 器件具有优良的机械和电气性能。而且地球表面有2 8 成分是硅，几乎 是取之不尽。 第一章绪论 1 1 2 m e m s 的应用及发展前景 m e m s 技术的发展目标在于通过微型化、集成化来探索具有新原理、新功能的元件 和系统，开辟一个新技术领域和产业。文献 8 】将m e m s 特点归结为三m ：微小型化 ( m i n i a t u r i z a t i o n ) ，多样性( m u l t i p l i c i t y ) ，微电子( m i c r o e l e c t r o n i c s ) 。三m 决定了 m e m s 广阔的应用前景。目前，m e m s 产品在信息、汽车、宇航、工业过程控制、机 器人、环境保护和监测、人类健康、军事等领域都得到应用， l m e m s 在信息技术领域中的应用f 9 0 纠 m e m s 技术的发展会对信息技术产生深远影响。现已开发的用于通信系统特别是光 纤通信网络的m e m s 器件有光开关、光调制器、光纤开关、光纤对准器、可调滤波器、 集成光编码器、无源调制器等。其中光开关是光纤通信和网络的核心元件，光开关的研 制己形成通信领域的一个研究热点。目前由美国开发生产的d m d ( d i g i t a l m i c r o m i r r o r d i s p l a y ) 大屏幕彩色投影显示设备已商品化，2 0 4 8 1 1 5 2 高分辨率的d m d 正在研制中。 d m d 是由成千上万个数字微镜组成，这些数字微镜实际上就是反射光开关阵列。另外， 用于计算机的微喷和硬盘读写磁头都是早已商品化的m e m s 器件，其中微喷除了用在 喷墨打印机头外，还可用于芯片冷却、气流控制、微型推进系统和药物雾化等。 2m e m s 在汽车工业中的应用”l ” 汽车工业是m e m s 产品最早应用的市场，早在7 0 年代用于汽车的微压力传感器就 进入市场。现代化的汽车由动力系统、车架系统、通信系统等组成。这些系统都要求性 能好、价格低的传感器和执行器，m e m s 技术能满足这些要求。汽车发动机控制模块是 最早使用m e m s 技术的汽车装备。该模块由微型计算机和进气管绝对压力( m a p ) 传 感器等组成，能根据需要控制发动机的工作状态，如最省油和排污量最少的状态。今天 几乎每辆汽车都装有m a p 传感器。m a p 传感器的另一个用途是检测轮胎压力。目前， 在汽车领域应用最多的是微加速度计和微压力传感器，以每年2 0 的比例在增长。微加 速度计是9 0 年代中期应用于汽车安全系统，来检测和控制前面和侧面的碰撞。随着 m e m s 技术的进步，多种类型的微加速度计已研制开发，如压阻型、电容型、隧道型、 共振型和热敏型等。另一个大量应用于汽车行业的m e m s 传感器是角速度计，用于车 轮侧滑控制。 3m e m s 在宇航和军事国防上的应用u 3 , 1 4 m e m s 在导航、飞行器设计、微型卫星和军事国防等方面都有重要应用，微陀螺和 惯性测量系统在飞行器中起关键作用。微型卫星近年来发展很快，纳米卫星的重量可小 至0 1 k g 左右，这种卫星从太阳能电池到导航模块和通信模块都由硅材料制成。随着 m e m s 技术的发展，它的制造工艺将是纳米级的，所以称其为纳米卫星。自从1 9 8 9 年 用m e m s 技术制造出1 立方英寸大小的机器人以来，微机器人技术发展迅速。能在小 管子里运动的电磁机器人、游泳机器人和飞行机器人在9 0 年代相继问世。用m e m s 技 术制造的微机器人和其它m e m s 器件正在军事上的无人技术领域发挥越来越重要的作 用。另外，m e m s 器件还可以提高航空器的飞行性能，安装在航空器上的各种灵巧传感 器( s m a r ts e n s o r ) 可提供力学、声学、气流等方面的各种信息，实现对各种执行部件 东南大学博士学位论文 的实时控制，从而提高航空器的飞行性能。 4 m e m s 在医疗和生物技术领域中的应用1 1 5 j 6 1 生物细胞的典型尺寸为1 1 0 微米，生物大分子的厚度为纳米量级，长为微米量级。 微加工技术制造的m e m s 器件尺寸也在这个范围之内，因而适合于操作生物细胞和生 物大分子。例如，尖端直径为5 微米的微型镊子可夹起一个红血球。另外，临床分析化 验、基因分析和遗传诊断所需要的各种微器件，如微泵、微阀、微沟槽、微器皿和微流 量计都需要用m e m s 技术来制造。由于m e m s 微小型化的特点，在近年来发展起来的 介入治疗中，m e m s 更是发挥着重要作用，例如，微机器人可以进入病人的血管清除凝 结的血块，刮掉沉积在血管壁上的脂肪等。日本正在开发能在人体血管中穿行、用于发 现并杀死癌细胞的超微型机器人。生物微系统也称芯片实验室( l a bo nc h i p ) ，是基于 m e m s 技术制造的微型化学( 生物) 分析仪器和系统，在基因测序、药物筛选、和化学 或生物分子的快速检测、临床诊断、可控缓释、快速化学合成等方面具有广泛的用途。 目前，生物微系统己形成m e m s 研究热点，有很大的市场潜力，很多公司正在抢占这 个领域。 5 电子鼻及其应用1 7 1 电子鼻是模拟人和动物的鼻子，探测和识别各种气味。电子鼻由气敏传感器阵列、 信号处理系统和模式识别系统等组成。由于电子鼻能识别各种不同气味，所以它在食品 生产、医疗卫生、制药工业、环境保护、安全保障、公安系统和军事领域等都有重要应 用。在食品生产中，电子鼻可用来测试食品的新鲜度；在医疗领域，医生用电子鼻可分 析患者呼气、汗、尿等，以帮助诊断病情；在公安领域可利用电子鼻来识别罪犯在现场 留下的气味，以帮助破案。另外，电子鼻在机场、码头和车站等可检测易爆炸物品，在 海关检测毒品走私等。在军事领域，电子鼻可用来检测和识别生化武器，识别敌友。电 子鼻的用途可以说还有很多，只要有气味的地方就有电子鼻的用武之地。 m e m s 器件种类繁多，其应用几乎涉足所有的领域。近十几年随着各国对m e m s 研究的力度逐渐加大，m e m s 产业化在迅猛发展，很多产品已经完全商品化并取得可观 的经济效益。更多的m e m s 产品正在走出实验室，走向市场，预计2 0 0 3 年全球m e m s 市场扩大到4 0 0 亿美元以上，年均增长2 0 3 0 1 8 1 。近年来m e m s 的专利数正呈指数 规律增长，预示着m e m s 技术全面发展和产业快速增长阶段已经来临。可以说，2 1 世 纪的m e m s 将具有广阔的应用前景，它对信息、航空、航天、自动控制、生物医学、 军事等领域的应用将是深远的。正如当年集成电路技术把我们带入信息时代一样，许多 科学家语预言，m e m s 技术将给人类社会带来另一次技术革命，并将对2 1 世纪的科学 技术、生产方式和人类生活质量产生深远影响。 1 1 3m e m s 的研究现状及急需解决的问题 m e m s 技术自8 0 年代末开始受到许多国家的决策部门的高度重视，被列入高技术 发展规划。九十年代发达国家先后投巨资并设立国家重大项目促进其发展，此后m e m s 技术迅猛发展。美国国家自然科学基金会( n s f ) 和美国国防部先进技术署( d a r p a ) 第一章绪论 将m e m s 技术确定为急需发展的新技术。美国有关部门己把航空航天、通信和m e m s 列为三大科研重点。日本在m e m s 研究方面虽然起步比美国晚，但进展相当快。日本 通产省自1 9 9 1 年开始实施为期1 0 年、投资2 5 0 亿日元的微机械技术研究开发计划，共 有6 0 多个研究小组参加。日本每年还举行一次微型机械爬山运动比赛，并已经举行了 五次m i c r om a c h i n ea n dh u m a ns c i e n c e 国际会议，以此来推动m e m s 发展。德国对 m e m s 的研究与美国和日本并驾齐驱，并有自己的特色。他们创造了l i g a 工艺，突破 了传统平面工艺，为m e m s 制作开辟了新的技术手段。目前，德国已将m e m s 列入大 学的必修课程，标志着德国对m e m s 研究的重视。欧洲其它国家如英国、瑞士、瑞典、 荷兰等国家也都在积极从事m e m s 研究，并于1 9 9 0 年建立起网络以协调欧洲各国的 m e m s 研究工作。 我国的m e m s 研究工作始于8 0 年代末，起步并不晚。早在1 9 8 8 年，国家自然科 学基金委支持东南大学进行静电微马达方面的研究，到9 0 年代末已有4 0 多个单位的5 0 多个研究小组在新原理、新工艺、测试技术和m e m s 应用等方面取得显著成绩，形成 了微型惯性器件和微型惯性测量组合、微型传感器和执行器、微流量器件、微生物传感 器、微机器人和硅及非硅加工工艺等研究方向。在“八五”、“九五”期间，m e m s 得到国家科技部、教育部、中国科学院、国家自然科学基金委和原国防科工委的支持。 1 9 9 3 年年底，国防科工委投资近千万元用于“九五”期间m e m s 研究，并建立了两个 微加工基地和一个项目研究中心。国家科委已把m e m s 列为“攀登计划”，作为国家重 点支持的研究项目之一。经过十几年的发展，我国在微型惯性器件和惯性测量组合、机 械量微型传感器和致动器、微流量器件和系统、生物传感器和生物芯片、微型机器人和 微操作系统、硅和非硅制造工艺等方面已取得一定成果，初步形成m e m s 的设计、加 工、封装和测试体系，有望在m e m s 领域的国际竞争中占有一席之地。 虽然自8 0 年代以来各国对m e m s 的投入力度都逐年在加大，大量资金和研究人员 流向这一领域，但m e m s 的应用速度却比人们期望的要慢，许多m e m s 实验室产品不 能走向市场，其中原因之一是因为m e m s 的可靠性不能得到保证【l9 1 ”。目前，以硅微 加工技术( 美国) ，l i g a 技术( 德国) 和精密机械加工技术( 日本) 为主要代表的m e m s 制造技术已逐渐趋于成熟，而“m e m s 装置的失效机理以及如何建立失效模型”这一问 题仍未得到解决1 2 ”，主要原因是在微观领域，许多物理现象与宏观领域有很大差别，例 如“尺寸效应”和“表面效应”，人们还未从微观角度重新建立新的理论体系。因此， m e m s 失效机理和可靠性问题是当今m e m s 研究急需解决的问题，是m e m s 器件能否 象6 0 年代末集成电路那样成功的关键之一【2 ”。 1 2 光测技术的研究与发展现状 近二十年来，由于激光技术、计算机技术以及图像处理技术的发展及其在光测领域 中应用，形成了以全息干涉、散斑干涉、云纹干涉、栅线投影等为主要内容的现代光学 测试技术。由于光学测试方法具有非接触、全场测量、无附加质量、精度高、速度快等 东南大学博士学位论文 优点，越来越受到科研人员的重视，其应用也在不断扩大。目前，光学测试技术和方法 在材料科学、生物科学、医学工程、航空航天、土木工程以及新近兴起的m e m s 等领 域都有着广泛的应用。 1 2 1 电子散斑干涉术 电子散斑干涉术( e l e c t r o n i cs p e c k l ep a u e r ni n t e r f e r o m e t r y ，e s p i ) 是7 0 年代初发 展起来的以激光、光电子技术、数字图像处理技术为基础的现代光学测量技术。该技术 被大量应用于变形( 离面变形和面内变形) 和振动测量，具有波长量级的灵敏度，是目 前国际上光测力学领域的研究热点之一。激光散斑是激光高度相干的产物，它表现为在 空间随机分布的明暗斑点，不仅是相干光学的研究对象，同时也是统计光学的一个研究 对象。散斑的形成和运动有其自身的规律性，这正是散斑计量的依据。 实际上，早在1 9 1 4 年散斑现象就被人们发现，但一直未引起人们的注意，到了1 9 6 0 年，随着气体激光器的诞生和全息干涉术的研究，散斑作为一种令人头痛的噪声开始受 到人们的关注，当时大量的工作主要集中在如何消除散斑影响方面，直到1 9 6 8 年b r u c h 和t o k s k i 提出散斑照相术，a r c h b o l d 等人又发展了此方法，散斑计量才引起人们的重视 2 3 1 。1 9 6 9 年，l e e n d e r t z 在国际光学会议上，提出了散斑相关干涉( s p c i ) 计量术，这 是散斑计量术的个重要发展l 。在早期的散斑干涉测量中，散斑图的记录是采用全息 干板，需在暗房中进行，并要进行复杂的显定影处理，干涉条纹的处理也是人工进行， 这在很大程度上制约了散斑干涉计量在工程中的推广和应用。1 9 7 1 年b u t t e r s 和 l e e n d e r t z 首次应用电视摄像管代替照相干板来记录散斑图，并把散斑图存储在磁带上， 再由电视摄像管输入变形后的散斑图并用一个相减器和滤波器处理变形前后的散斑图， 从而获得代表物体表面位移的散斑干涉条纹瞄】。因为这种方法用电子器件实现了散斑干 涉，因此就称为电子散斑干涉法( e s p i ) ，又称电视全息( t v - h o l o g r a p h y ) 。与以往的光 学方法相比，e s p i 摆脱了繁琐的湿处理过程，不需暗室操作，具有方便、快捷、自动 化程度高的特点，为散斑计量走向工程实用化迈进了一大步。在随后的近十年中，人们 在条纹质量、测量系统组成及参数选取等方面不断完善电子散斑干涉术。 进入八十年代，随着电子技术、计算机技术的迅猛发展，电子散斑干涉术的处理过 程完全实现了数字化，通过把物体变形前后的散斑图量化为数字图像，并由计算机进行 数字图像处理，生成散斑干涉条纹。这样电子散斑干涉就转化为数字散斑干涉( d i g i t a l s p e c k l ep a t t e r ni n t e r f e r o m e t r y ，d s p i ) 。d s p i 减小了噪声，生成的干涉条纹比e s p i 干 涉条纹质量好。目前，数字散斑干涉( d s p i ) 逐步代替了以往的电子散斑干涉( e s p i ) ， 但习惯上，人们仍将e s p i 和d s p i 统称为e s p i 【2 “。e s p i 的出现，用视频存储设备代替 了传统的照相干板，摆脱了一系列繁琐的工作，并能实时显示干涉条纹，增强了抗干扰 能力，为e s p i 进一步走向工程实用打下坚实的基础。 电子散斑干涉术是在现代高科技成果，包括激光技术、视频技术、电子技术、计算 机技术、数字图像处理技术、精密仪器及自动控制技术等的基础上发展起来的一种现代 光测技术，具有非接触、全场、无损、实时、灵敏度高等优点，因此被广泛应用于表面 第一章绪论 位移、振动、应变、无损探伤、物体形貌等的测量，如建筑物现场变形检测【2 ”、复合材 料无损检测 2 8 】、焊缝检测2 9 , 3 0 、表面粗糙度检测3 1 1 、残余应力检测 3 2 、形貌测量等，