微机电系统的功能检测.doc

班级：2011级机汽学院硕士3班 姓名：卢嘉辉 学号：201121002847微机电系统的性能检测及其应用一、微机电系统概述微机电系统是指用微机械加工技术制作的包括微传感器、微执行器、微能源等微机械基本部分以及高性能的电子集成线路组成的微机电器件与装置。以微机械为研究对象的微机电系统涉及多种学科，主要有微机械学、微电子学、自动控制、物理、化学、生物以及材料科学等基本内容，是一个多学科、高技术的边缘学科。简单讲，微机电系统是一种集成了微电子电路和微机械致动器的微小器件，它可根据电路信息的指令，控制致动器实现机械操作=还可以利用传感器接收外部信息，将转换出来的信号经电路处理放大，再由致动器变为机械操作，去执行信息命令。可以说，微机电系统是一种获取、处理信息和执行操作的集成器件。由于微电子技术已经非常成熟，因此在谈到微机电系统技术时，人们更关心的是微机械部分的设计与加工技术。对于微机械，其特征之一是微机械元件的尺寸一般都在微米级甚至更小。其二，用微机械进行的操作是极其微细的，有的操作已经达到了单个细胞乃至分子之间。其三，有些微机械敏感元件能敏感到单个原子，因此可用其进行原子量级的探测。另外，微机械的结构、原理和作用规律也与一般的传统机械不同，它不是传统机械尺度的微缩，有许多特殊现象和规律有待进一步探索和研究，所以不能用对传统的认识去看待微机械。二、微机电系统的特点相对于传统机电系统而言，微机电系统的主要特点是：1器件微型化、集成化、尺寸达到纳米数量级在一个几毫米见方的硅芯片上完成线与面的集成、信号处理单元的集成以至和一个微型计算机集成。从信号产生的功能，到执行信号和处理信号的功能都可以实现微型化和集成化，最终把微敏感元件、微处理器、微致动器和各种微机电系统都集成于一小小的硅芯片上，并可大批量、廉价地生产。2功能多样化、智能化由于硅具有光电效应、压阻效应、PN结特性和Hell效应等，可用于制备光电传感器、微力学传感器、温度传感器和气敏传感器。由于微细加工技术的进步，现在往往把硅基材料微型传感器和信号处理器件与转换电路做在一起，极大地提高了MEMS的信噪比，同时也大大提高了MEMS的灵敏度、测量精度和响应速度，并省略了复杂的接口技术，智能化程度大大加强。3.功能特殊性由于MEMS微型化、集成化、智能化程度大大加强，使得它在许多场合发挥特殊功能。如微米级的具有智能化的静电式微马达，它可以进入人的血管，对血管堵塞起清通的作用，这样就可以治疗脑血管病、肝脏血管堵塞等有关的严重疾病。4.能耗低、灵敏度高、工作效率高微机电系统所消耗的能量远小于传统机电系统的十分之一，却能以10上的速度完成同样的工作，如5x5x0。7mm体积大得多的小型泵的1000倍，而且微机电系统不存在信号延迟等问题，可进行高速工作。三、微系统的性能检测微传感器、微执行器是构成微机电系统的基础。微传感器无疑是微机电系统研究中最具活力与现实意义的领域。最近统计，全球60亿美元的传感器市场中采用机械技术的传感器占据了大约25%市场份额。微系统的另一重要基础是微执行器，有关微致动器的研究成果很多，如微电机、微陀螺、微泵微进给装置等。但是能够象喷墨打印机用高分辨率喷墨头一样，成功地转化为商品的并不多。究其原因是因为微致动器需要直接作用于现实的物质世界并与之进行能量交换，而微执行器本身的微小在某种程度上反映了它的脆弱性，因而限制了它的作用方式、作用范围和作用能力。所以，不论是对微执行器的设计还是对它的应用方式都需要做进一步的探讨和研究。微系统的性能检测可通过对系统的输入量和输出量的检测来实现，这种方法可以对所测试的实验样机的特征进行量化。在微机电系统，激励和检测对系统性能的影响要远大于精密机械技术。通过对输人输出量的观测来对不同的功能元件分别进行检测通常是不可能的，也是没有必要的，例如，被动液体元件常常会对力学特性有很大的影响。因此，在对力学性能检测时，要对弹性力学和流体力学的效应进行总的检测。能量转换器和信号转换器经常与机械元件、热元件相祸合，它们之间相互有很强的影响。从原理上讲，微机电系统作为一种机电装置，其检测原理与一般机电系统没有本质的区别，不同之处在于对于一些微机电系统如微泵、微阀、微致动器等，由于其输出量极小，因此对测试仪器的灵敏度、分辨率等要求更高。而对于象微机电加速度传感器、微机电压力传感器这样的微机电装置，其灵敏度、线性度、频响等参数的测试则可采用常规的测试仪器和测试方法。由于采用微机电系统技术能够制造各种各样的微系统，其性能要求截然不同，因此对测试仪器和测试方法的要求也不相同，在进行微机电系统性能测试时，只能根据具体的微机电系统和性能或参数要求，选择合适的测试仪器和测试方法。随着各种新原理、新结构机电系统的出现，必然会对测试仪器和测试方法提出新的要求，需要研究新原理的测试仪器和新的测试方法。四、微机电系统在测试高密度波长中的应用随着在波分复用（WDM）光通信系统中波长密度和比特率的不断提高，服务质量（QoS）逐渐成为了一个非常关键的指标。光纤布拉格光栅（FBG）传感器以及光网络都需要高速的动态光谱监测，然而传统的测试设备扫描速率比较低或没有足够宽的波长扫描范围，因此不能满足要求。新一代使用微机电系统（MEMS）的测试设备则可以很好地满足高比特率测试的要求，同时降低了成本，减小了设备尺寸。在设计一种测试设备时，使用MEMS技术比使用传统技术要优越得多。MEMS可以集成到诸如光谱分析仪（OSA）、WDM光监测器等设备中，以便测试那些使用传统设备无法精确观测的高速率光现象。这是技术的自然进步，因为MEMS如今已经成为众多光设备的组成部分。原因很简单：MEMS固有的很多优势是传统技术所不具备的。它将机械组件、传感器、激励源以及电子器件集成在同一块硅基片上。电子器件应用集成电路加工工艺制作，如互补金属氧化物半导体（CMOS）或双极性CMOS。而微机械组件则使用与之兼容的所谓“微机械加工”工艺制作，即选择性地蚀刻掉部分硅芯片或者添加新的结构层，从而制作出机械器件和电动机械器件。通常我们将微电子集成电路比作一个系统的“大脑”。而有了MEMS，微系统则可以探测并控制外界环境，正如给系统加上了“眼睛”和“手臂”，使之更具有自己决策的能力。首先传感头通过测试机械的、温度的、生物学的、化学的、光学的以及磁场的各种参数，收集了众多信息，然后由电子器件对这些数据进行处理，并据此通过一种特殊的方法控制激励源。简而言之，只要在这样一个小芯片上加上MEMS器件，就能以相当低的成本极大地增强功能和提高可靠性。MEMS技术可以用在光谱分析仪中，使其能够更加精确地测试WDM信号。光谱分析模块由透镜、法拉第旋光器、衍射光栅、MEMS光扫描仪以及一个光电二极管组成。首先光通过光纤进入光谱分析模块，经过透镜的校准射到衍射光栅上，衍射光再射到MEMS光扫描仪上并被其反射回衍射光栅。最后，衍射光栅将具有某个特殊波长的光入射到光电二极管上，而这个特殊波长则可以通过旋转MEMS扫描仪连续地改变。光谱分析模块由透镜、法拉第旋光器、衍射光栅、MEMS光扫描仪以及光电二极管组成。将法拉第旋光器合成到模块中的目的是为了消除衍射光栅的偏振依赖性，否则如果一束未知偏振态的光入射进来，就必须首先对其偏振态进行测试。模块驱动器生成信号驱动MEMS光扫描仪。而光电二极管的输出信号则由一个数模转换器转换为数字信号。这就使得输入光的光谱信息得以数字化，从而可以通过电脑显示出测试结果。它由一个反射镜、两根横梁、一个外框、以及间隔装置和背向电极组成。其制作工艺使用了硅深反应离子蚀刻技术和氢氧化钾各向异性化学蚀刻技术。而反射镜、间隔装置和背向电极都是与硅芯片分离制作的，然后再粘贴在一起形成最后的扫描仪。MEMS光扫描仪由一个反射镜、两根横梁以及外框、间隔装置、背向电极组成。MEMS的嵌入大大提高了光谱分析仪和WDM光监测仪的测量精度。为了降低空气衰耗对光扫描仪的影响，在背向电极的中心进行蚀刻，并在导电反射镜和背向电极之间施加电压对反射镜以机械谐振频率进行静电驱动。MEMS的驱动电压和频率分别是200Vp-p和380Hz。扫描仪在空气中的谐振Q值约为400。当需要测试两个迅速变化的光谱时，在光谱分析模块中使用MEMS的优势就非常明显地表现出来了。比如需要观察一个输出功率为10毫瓦，频率为193。4THz的分布反馈激光器的瞬态频率变化，激光器装备有自动功率反馈控制和自动温度反馈控制电路，使用26ms的测量间隔，测量出了分布反馈激光器开机后输出光的瞬态频率变化，可知其达到稳定输出需要936ms。可以清楚地看到频率和输出功率的明显变化。使用MEMS光谱分析仪分析分布反馈激光器开机后的瞬态频率变化，测试间隔为26ms。该激光器达到稳定需要936ms。改进后的光谱分析仪也可以用在光纤布拉格光栅应力传感器中。加在传感器上的应力变化是通过观察光栅中心频率的漂移得出的，因此需要使用宽带光源和光谱分析仪。当在传感器上施加频率为75Hz的变化应力时的测试结果。结果中100ms内传感器中心波长的漂移。如此高的频率漂移如果使用传统的光谱分析仪很难检测到。使用MEMS光谱分析仪测试在光纤布拉格光栅上加频率为75Hz的变化应力时谐振波长的漂移情况。和光谱分析仪一样，在WDM监测器中使用MEMS光扫描仪可以提高对WDM信号的检测精度。目前，WDM监测器作为评价WDM网络性能的一种测试设备，无非有两种设计方案，但这两种设计方案在性价比上都不能满足现场使用的要求。一种设计方案是使用大量的小型光电二极管以足够的分辨率覆盖较宽的波长范围。另一种设计方案是使用一个MEMS可调法布里珀罗滤波器，这个滤波器由一个固定反射镜和一个可动反射镜构成。这个设计方案虽然在一定程度上使用了MEMS技术，但也不是很有效，因为它并不能足够迅速地移动那个可动反射镜。使用MEMS的WDM光监测器模块目前正处于研发阶段，它由准值仪、法拉第旋光器、光栅、硅基片上的MEMS光扫描仪、标准具和光电二极管组成。使用了这种模块，WDM光监测器不管在性能上还是在成本上都能很好地满足评价WDM网络性能的需要。这个模块应用了一种直接测试技术。输入光经透镜校准，通过法拉第旋光器，射到光栅上，光栅将其进行衍射，一次衍射光射到MEMS的发射镜上并被反射回光栅，在光栅上被二次衍射，由此形成立特曼型光滤波器。这个WDM模块和光谱分析仪模块有很多相似之处。首先，MEMS光扫描仪都是以机械谐振频率被静电驱动的；其次，输入光的波长可以通过MEMS扫描仪角度的旋转连续、循环地改变，而这个旋转角度是可以由用户自行设定的；再次，法拉第旋光器的用途都是为了消除光栅的偏振依赖性。不同的是，WDM监测器模块有一个标准具来补偿测试结果，而光谱分析模块中没有。通过测试光电二极管的输出电压和MEMS扫描仪的旋转角度，就可以测试出输入WDM信号的光谱。使用MEMS技术精确测试100GHz间隔的WDM信号的例子。测试速率是5。2ms，使用电脑进行计算，分辨率为0。16纳米。能探测到的光波长间隔比使用传统的光电二极管阵列要小得多。使用MEMS技术分析100GHz间隔的WDM信号，能探测到的光波长间隔比使用传统的光电二极管阵列要小得多。除了能改善器件性能使之满足高比特率测试要求以外，MEMS技术还能在缩小器件尺寸和降低成本方面大有作为。缩小器件尺寸的效果是非常显著的，我们可以看到使用了MEMS光扫描仪的WDM模块只有904020mm3。而且因为MEMS不使用大量光电二极管，大大降低了器件的成本。因为这些设备经常在现场使用，所以尺寸小、成本低就成了非常大的优势。现场技术员们到现场进行服务质量