紧凑的镜头少数字全息显微镜的MEMS检测与表征

该程序的总体目标是使用具有计算和实验技术的光学全场测量来测试用于静态和动态应用的微机电结构。这种方法可以帮助回答半导体行业中的关键问题，更具体地说，对于微机电系统检测，例如在制造的不同阶段表征 MEMS 结构的机械特性。该技术的主要优点是它是全场、非接触式、实时、高分辨率的，并且它提供了反射物体的完全定量 3D 图。

该系统是在没有镜头的情况下制造的，因此非常紧凑。因此，这种方法可以深入了解 MEMS 特性。它还可用于晶圆检测或光学参考测试。

如果设置在透明几何形状中，还可以检查微光学、衍射光学，甚至用于生物成像。该程序使用紧凑型数字全息显微镜 （CDHM） 来表征微机电系统或 MEMS 器件。在本演示中，将对一个 11 平方毫米的硅晶片进行表征，其中每 0.25 毫米放置一个方形金电极。

使用镊子将 MEMS 样品放在样品架上。调整样品架，使激光束瞄准电极。可能的最大视野受摄像头传感器的限制，在本例中为 2.3 x 1.8 毫米。

将系统垂直放置在距离样品约 1.5 厘米的位置，然后继续设置 3D View 软件。此软件包是用 C+Begin 开发的，单击绿色框图标以选择视频成像设备。在下拉菜单中选择 DMx 41BU02 成像源相机。

接下来，在设备设置下，选择 Y800 视频格式选项，并将捕获速率设置为每秒 15 帧。按 OK，然后使用黄色播放按钮启动摄像机。应显示样本的实时视频图像。

显示的图像应该是样品的散焦图像。如果需要，调整图像的曝光时间和对比度。现在，尽可能将样本居中并访问 Settings 选项。

在那里，将 系统类型（System Type） 设置为 反射（Reflection） 或 透射（Transmission）。检查激光的波长是否设置为 633 nm，相机的像素大小是否设置为 4， 650 nm，放大倍数是否为 2 倍。接下来，选择 Convolution Reconstruction 算法，并将 Reconstruction Distance 设置为 100 mm，将 Reconstruction Step 设置为 1。

稍后可以调整重建距离，以将强度图像调整为清晰的焦点，而 Step 参数表示执行卷积作以模拟光束传播的次数。可以更改此参数以微调强度图像中的重建距离。最后，在 Post Processing 选项下，将 Unwrapping algorithm 设置为 Quality mapped 选项。

确保 Intensity filter 和 Phase filter 选项设置为 None。然后，按 OK。首先访问 3D View 软件并打开傅里叶光谱窗口。如果未出现一个零级和两个加一减一级光谱，请检查样品是否放置在红色激光束下方。

从样品中可以很容易地看到激光反射。现在，停止实时测量模式并使用滤光工具选择一个衍射阶次。选择一个足够大的区域，以包含相位检索所需的所有频率。

选择 SET 选项以应用过滤器。然后，重新启动实时测量模式。完成选择并实时成像后，打开 Phase 窗口并确保未启用展开模式。

接下来，调整垂直载物台以减少相位图像中的条纹数量，以便只保留一个或两个条纹。让系统在每次舞台移动后进行调整。要找到最佳重建距离，请使用自动对焦选项。

可能需要几个重新聚焦步骤才能获得最佳重建距离。最终，图像应该变得清晰锐利。如果自动对焦没有提供最佳效果，可以使用对焦滑块进行微调。

对于非常精细的焦距调整，可以在设置中更改重建步骤。准备好图像后，启用 unwrap 模式以查看 unwrapped phase 图像。在 3D View 软件中，打开 3D 图像窗口以查看样品的最终图像，并使用可用的图像调整来观察结果。

在展开的相位图像上，选择标尺图标并在感兴趣的区域上画一条线，以在线图窗口中获得横截面图。现在，在线图窗口中，使用两个绿色线条标记来获取对象的大致高度。要排列窗口以便同时查看，请选择 Tile Windows 选项。

也可以使用 MATLAB 软件计算样品平坦部分的表面粗糙度。将 Final Phase 图像保存为位图，以便在其他软件中进一步查看。要制备用于动态分析的样品，请将其放置在样品台上进行分析。

在这种情况下，样品是一个微型隔膜。将样品电极连接到发生器的鳄鱼夹上。按照描述的程序，在环境温度下记录微型隔膜的全息图以供参考。

点击 Delta 图标删除初始阶段，从而只观察变形。然后，打开直流发电机，逐渐将电压从 0 增加到 12 伏，以每 1 伏的增量拍摄相位图图像。然后，使用简单的 MATLAB 代码，将不同的相图变形绘制成一个图形，以更好地观察总变形，并表征 MEMS 变形与电气负载的关系。

CDHM 系统用于表征所述 MEMS 器件，使用单模光纤耦合到以 633 纳米波长工作的二极管激光器。将物光束和参考光束路径进行匹配，以获得 MEMS 器件的全息图图像。黄线代表样品上的横截面位置，两条绿色标记线用于估计样品高度。

为了验证数字全息系统的结果，使用原子力显微镜测量相同的结构。发现原子力显微镜测量和 CDHM 测量之间的高度差为 2.1 纳米。使用剥离工艺制成的 MEMS 电极会受到样品形态差异的影响，需要量化。

使用所描述的协议，为此目的制作了 def 映射。另一个维度的绘图显示，使用该系统也可以观察到电极的表面粗糙度。在动态系统中，随着温度从 50 摄氏度上升到 300 摄氏度，通过在 SOI 晶片样品上粘合薄板来测量微隔膜中的形态变化。

然后将这种热变形总结为一个线图，显示了不同变形状态的横截面图。观看此视频后，您应该清楚地了解如何设置系统并进行与反射样品相关的形态学研究，例如 3D 轮廓、变形图和表面粗糙度。经过培训后，任何人都可以使用软件和系统，以便可以轻松地在生产链上实施并由技术人员作。

在尝试此过程时，请务必记住将样品放置在与系统保持适当距离的位置。这是重要的一步。它对最终结果有真正的影响。

经过开发，这项技术 b-v 供光学和电气工程领域的研究人员对 MEMS 样品在静态和动态条件下的行为进行分类。按照此程序，可以进行其他实验，例如在播放高频交流电时观察谐振模式或量化悬臂偏转，以提供填充柱 MEMS 器件的校准。