喬大勇， 王利湘， 夏長鋒， 蘇小操

(1.西北工業(yè)大學 空天微納系統(tǒng)教育部重點實驗室,陜西 西安 710072；2.西北工業(yè)大學 陜西省微/納米系統(tǒng)重點實驗室，陜西 西安 710072)

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MEMS掃描鏡光學性能的圓片級自動檢測系統(tǒng)設(shè)計

喬大勇1,2， 王利湘1,2， 夏長鋒1,2， 蘇小操1,2

(1.西北工業(yè)大學 空天微納系統(tǒng)教育部重點實驗室,陜西 西安 710072；2.西北工業(yè)大學 陜西省微/納米系統(tǒng)重點實驗室，陜西 西安 710072)

為快速準確地檢測出一張硅片上數(shù)百個MEMS掃描鏡的良品與次品，設(shè)計了一種自動測量系統(tǒng)。選用高精度二維位置敏感探測器(PSD)設(shè)備，設(shè)計其后置硬件電路并編寫數(shù)據(jù)采集的程序。結(jié)合經(jīng)典三角法測量角度的原理搭建自動檢測系統(tǒng)，在室溫和正常光照條件下，完成了MEMS掃描鏡光學性能圓片級自動檢測的實驗。結(jié)果表明:該系統(tǒng)能夠快速準確地同時對掃描鏡的兩個軸進行檢測并給出結(jié)果。

MEMS掃描鏡； 自動檢測； 三角法； 位置敏感探測器

0　引　言

MEMS掃描鏡是一種光學器件，在諸如汽車抬頭顯示、激光投影、精密圖像顯示、醫(yī)學成像和軍事應(yīng)用等很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。在基于絕緣體上硅(silicon on insulator,SoI)的MEMS掃描鏡的加工工藝中，一張硅片上能加工數(shù)百個微掃描鏡[2]，其加工工藝步驟繁多流程復(fù)雜，難免會有次品夾雜其中，所以,有必要對加工出來的器件進行光學性能檢測。

MEMS掃描鏡光學性能的檢測，傳統(tǒng)上是在掃描鏡封裝后手動進行的，這種在封裝后進行的測試只能阻止不良品進入銷售或應(yīng)用環(huán)節(jié)，但是由于封裝費用在MEMS掃描鏡成本構(gòu)成中占據(jù)了重要的份額，封裝之后才能發(fā)現(xiàn)不良品的測試方法造成了封裝材料的浪費并拉高了MEMS掃描鏡的銷售價格。同時，逐個手動檢測的方式效率低下，且易受人為誤操作的影響，無法適應(yīng)批量生產(chǎn)。

本文設(shè)計了MEMS掃描鏡光學性能的圓片級自動檢測系統(tǒng)，在圓片級狀態(tài)，使用自動探針臺和位置敏感探測器(position sensitive detector,PSD)實現(xiàn)了MEMS掃描鏡裸片光學性能的自動化檢測。該自動檢測系統(tǒng)不僅工作效率高、精確度高、能避免人為誤操作，還能避免封裝材料的浪費和最大程度地控制成本，適用于MEMS掃描鏡的批量生產(chǎn)。

1　檢測原理分析

1.1手動檢測系統(tǒng)原理

圖1是傳統(tǒng)上手動檢測MEMS掃描鏡光學性能的原理圖。將封裝后的掃描鏡固定在測試座上，將激光器、測試座

和接收屏按照圖(c)所示的三角法原理搭建測試系統(tǒng)。如果掃描鏡性能正常，則會在接收屏上掃描出一條直線如圖(d)所示。由此，對每一個封裝后的掃描鏡進行人工檢測，并通過肉眼觀察接收屏是否出現(xiàn)掃描直線來判定掃描鏡的光學性能。

圖1　手動檢測系統(tǒng)原理圖

1.2自動檢測系統(tǒng)的原理

同樣利用三角法原理，將圖1中的接收屏換成PSD，再設(shè)計附加的PSD后置電路和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，就構(gòu)成自動檢測系統(tǒng)的原理。在圖2所示的PSD后置電路模塊中，將PSD電極輸出的初始電壓進行加、減和除法運算，再經(jīng)過ADC芯片進行數(shù)據(jù)采集，利用單片機進行計算以及結(jié)果的判斷。再將該模塊連接至上位機終端，就能直接讀取檢測結(jié)果并記錄下來。

PSD有一維和二維兩種類型。圖3是一維PSD的典型PIN型剖面圖。PSD由P-I-N三層構(gòu)成，其中,P層是進行光電轉(zhuǎn)換的有效區(qū)域，該層接受光照后產(chǎn)生對應(yīng)的光電流。如圖3所示，2L為光敏面的邊長(mm)，在距PSD光敏面中心位置x(mm)處入射一束激光，左右兩個方向產(chǎn)生光電流I1和I2并從兩個電極輸出。以PSD光敏面的中心為原點

(1)

(2)

(3)

二維PSD的工作原理與此相同，并存在位置信號y，由坐標(x,y)確定入射光的位置。

圖3　PSD結(jié)構(gòu)圖

2　自動檢測系統(tǒng)硬件電路與軟件設(shè)計

2.1PSD選型

目前，MEMS掃描鏡主要以二維結(jié)構(gòu)為主，掃描鏡性能檢測需要對掃描鏡的兩個軸同時進行，所以應(yīng)該選擇二維PSD。為了保證檢測系統(tǒng)的準確性、高效性以及通用性，選擇的PSD應(yīng)具有暗電流小、光譜范圍合適、光敏感度大、位移分辨力高以及工作區(qū)間合適等特點[4]。本文選擇的是由德國First Sensor公司生產(chǎn)的DL400系列二維PSD。該型號集成了初步的光電流轉(zhuǎn)為等效電壓以及加法和減法計算電路，由式(3)可得

(4)

(5)

2.2硬件設(shè)計

結(jié)合圖2的原理以及式(4)和式(5)，可以看出,將PSD輸出的電壓信號做除法運算就能得到位置信號。所以,PSD后置電路需要進行除法運算、電壓ADC采集和控制芯片做出響應(yīng)并輸出判斷結(jié)果。其電路圖如圖4所示，PSD后置電路設(shè)計相對簡單，能很好地保證響應(yīng)速率和精確度。

圖4　PSD后置電路

(6)

對比式(4)、式(5)和式(6)，U=L=10，如果令Z2=VDIF，X1=VSUM，Z1=X2+Y1=0,則有

x=W

(7)

同理有y=W。由此可見，除法器輸出電壓的值就是光斑在PSD光敏面上的坐標值,且-10V≤W≤10V能與兩軸方向上的坐標值一一對應(yīng)。

電壓轉(zhuǎn)換電路將除法器輸出等比例縮小，方便后續(xù)ADC采樣。ADC是對除法電路的輸出W進行采集，每一個W的值對應(yīng)的就是PSD上光點的位置信息，如果掃描鏡性能正常，就會有不同的W值被采集到。MEMS掃描鏡檢測中對光斑在PSD光敏面上的坐標精度要求不高，采集結(jié)果不用進行復(fù)雜的運算，所以,在成品檢測階段，STC12系列的單片機就能滿足要求。

2.3軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件需完成數(shù)據(jù)的采集、計算、結(jié)果的統(tǒng)計顯示，軟件流程見圖5。

該系統(tǒng)軟件實現(xiàn)如下功能:1)判斷探針臺的探針是否與MEMS掃描鏡的引腳良好接觸；2)采集PSD上光點的初始坐標并存入(X0，Y0)；3)在給定的時間周期內(nèi)的不同時間點ti密集采集PSD上的光斑位置坐標存入(Xi，Yi)并與(X0，Y0)對比；4)判斷、統(tǒng)計顯示結(jié)果。如果在某個時刻ti出現(xiàn)Xi≠X0或者Yi≠Y0，則可以判斷 x軸是正常或y軸正常。

圖5　數(shù)據(jù)采集處理流程圖

3　實驗結(jié)果與誤差分析

3.1自動檢測系統(tǒng)

在ELECTROGLAS公司的全自動探針臺EG2001平臺上進行MEMS掃描鏡光學性能的圓片級自動檢測實驗。按圖6所示搭建檢測系統(tǒng)，硅片固定于載片臺上；激光器與PSD用夾具夾持并位置可調(diào)，調(diào)節(jié)到適當位置后用螺栓固定；打開激光器，檢測光路是否正確；連接MEMS掃描鏡驅(qū)動電路、PSD后置電路與上位機；控制探針臺對硅片上單個掃描鏡芯片進行自動精準定位。在常溫及正常光照條件下進行實驗，啟動系統(tǒng)，對一批待劃片封裝的圓片級MEMS掃描鏡進行檢測。

圖6　基于PSD的MEMS掃描鏡光學性能自動檢測系統(tǒng)

3.2圓片級檢測結(jié)果

一張完整的硅片上總共有288個掃描鏡單元。如圖7是一張完成了整個工藝流程后的硅片，在劃片前將每個單元打標，然后對其進行光學性能的自動檢測，輸出結(jié)果如圖8所示，如上文所述，掃描鏡的光學性能的4種情況分別是:雙軸都不能正常工作、雙軸都正常工作、x軸不正常工作和y軸不正常工作。這4種情況分別對應(yīng)了圖8中的4種不同的顏色:顏色A代表雙軸不振、顏色B 代表x軸不振、顏色C代表雙軸都振、顏色D代表y軸不振。所以，只要根據(jù)這張圖就能準確無誤地判斷圖7中這288個單元各自的光學性能，再選擇性能優(yōu)異的器件進行封裝，最大限度控制生產(chǎn)成本。

圖7　包含288個掃描鏡的圓片

圖8　檢測結(jié)果

3.3誤差分析

在該MEMS掃描鏡光學性能自動檢測系統(tǒng)中，光學系統(tǒng)的共軸性、PSD信號處理電路的誤差、A/D轉(zhuǎn)換精度以及環(huán)境的振動等因素都有可能對測量結(jié)果產(chǎn)生影響[5,6]。本系統(tǒng)的誤差來源可能有以下幾個方面:外界環(huán)境的干擾，如其他設(shè)備的振動或者大氣流；ADC的采集精度；PSD的一致性；激光光斑的大??；模擬器件的溫度濕度特性等。

上述因素導致的結(jié)果是:光斑位置產(chǎn)生微小的偏差。應(yīng)對方法是在進行結(jié)果判定時給定一個A/D轉(zhuǎn)換的誤差緩沖值S，這個值的含義是:當采集的數(shù)據(jù)和初始坐標的差值不大于S時就判斷為光斑無位移，而S折算到PSD上的位移僅僅不到0.1 mm，遠小于良品MEMS掃描鏡應(yīng)有的位移，不足以作為該器件為良品的判斷依據(jù)，這樣就可以“過濾”掉大部分誤差因素帶來的誤判斷。同時應(yīng)選用激光光斑較小的直線度好的激光器。

4　結(jié)　論

本文設(shè)計的自動檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對MEMS掃描鏡光

學性能的自動檢測，既解放人力，降低生產(chǎn)成本，又具有性能穩(wěn)定，高效準確的特點。由圖8可以看出，該系統(tǒng)能夠精確判斷二維MEMS掃描鏡的任意軸的光學性能。通過進行大量自動檢測實驗并與人工檢測進行對比分析，驗證了檢測系統(tǒng)的高效性與可行性。

[1]張文棟,熊繼軍.微光機電系統(tǒng)(MOEM])[M].北京:機械工業(yè)出版社,2006:20-25.

[2]劉耀波.一種新型靜電驅(qū)動二維微型掃描鏡的設(shè)計及模態(tài)[J].光學學報，2013，33(6):1-6.

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[5]李田澤，王淑云.改進型PSD非線性誤差分析及其應(yīng)用研究[J].光電工程，2008，35(2):123-126.

[6]程泉，李忠科.二維PSD在激光對中系統(tǒng)中的應(yīng)用及其誤差分析[C]∥中國電子學會第十六屆信息論學術(shù)年會論文集，北京:中國電子學會，2009:296-301.

Design of automatic detection system of wafer level optical performance of MEMS scanning mirror

QIAO Da-yong1,2， WANG Li-xiang1,2， XIA Chang-feng1,2， SU Xiao-cao1,2

(1.Key Laboratory of Micro/Nano Systems for Aerospace,Ministry of Education,Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710072,China;2.Shaanxi Province Key Laboratory of Micro and Nano Electro-Mechanical Systems,Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710072,China)

In order to detect good products and defective goods in hundreds of MEMS scanning mirrors on a silicon wafer fastly and accurately,an automatic test system is designed.A high precision 2D PSD equipment is chosen,rear hardware circuit of PSD is designed and its data collection program is compiled.Build up automatic detection system combined with angles measuring theory of classical triangulation method，experiment for optical performance detection of MEMS scanning mirrors are implemented at room temperature and under ambient light.Results indicate that this system can detect two axis of the scanning mirror and give out the result.

MEMS scanning mirror; automatic detection; trigonometry; position sensitive detector； position sensitive detector(PSD)

10.13873/J.1000—9787(2016)09—0078—04

2015—11—13

TP 274

A

1000—9787(2016)09—0078—04

喬大勇(1977-)，男，山東膠南人，博士，教授，主要從事微機電系統(tǒng)集成設(shè)計技術(shù)、微/納制造技術(shù)、主動微光學器件、先進MEMS封裝和片上能源技術(shù)等研究工作。