1、,激光測(cè)振儀在微機(jī)械振動(dòng) 測(cè)量中的應(yīng)用,蘇州舜新儀器有限公司 *清華大學(xué) 2011.9.26,趙婷婷 王宇峰* 宋云峰,1/27,MEMS簡(jiǎn)介,2/27,MEMS指可批量制作的，集微型傳感器、微型結(jié)構(gòu)、微型執(zhí)行器以及信號(hào)處理和控制電路、接口、通訊等于一起的微型器件或系統(tǒng)。它具有微型化、集成化、微電子化等主要特點(diǎn)。 MEMS已在信息技術(shù)外圍設(shè)備、汽車、工業(yè)航空/航天發(fā)動(dòng)機(jī)、消費(fèi)電子、醫(yī)藥和生命科學(xué)、遠(yuǎn)程通訊等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。,小尺寸： 多樣化： 微電子：,MEMS簡(jiǎn)介,*由于尺度小，能夠感受作用的面積極小；由于體積小而相對(duì)表 面積大，易受環(huán)境影響。,3/27,包含數(shù)字接口、自檢、自調(diào)整和總線兼

2、容功能，具備在網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的基本條件，具有標(biāo)準(zhǔn)的輸出，便于與系統(tǒng)集成在一起，且能按要求靈活的設(shè)計(jì)制造出多樣化的MEMS；,采用MEMS工藝可以把不同功能、不同敏感方向或制動(dòng)方向的多個(gè)傳感器或執(zhí)行器集成于一體，或形成微傳感器陣列、微執(zhí)行器陣列或其他更復(fù)雜的微系統(tǒng)。,體積小、質(zhì)量輕、功耗低、慣性小,對(duì)MEMS進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量主要是利用振動(dòng)參數(shù)來(lái)對(duì)MEMS進(jìn)行設(shè)計(jì)或者檢測(cè)等，尤其是諧振頻率、線性度、串?dāng)_比等等。 掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡解決了原子級(jí)尺度的測(cè)量問(wèn)題，但無(wú)法勝任MEMS在高頻高速運(yùn)動(dòng)下的動(dòng)力學(xué)特性測(cè)試。 激光測(cè)振儀可進(jìn)行非接觸式動(dòng)態(tài)測(cè)量。,MEMS測(cè)量方法,4/27,激光多普勒振動(dòng)儀(La

3、ser Doppler Vibrometer)是一類應(yīng)用最廣的非接觸式無(wú)損測(cè)量設(shè)備，目前已具備納米級(jí)的測(cè)量精度，在宏觀結(jié)構(gòu)和微型結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)測(cè)量方面都獲得了廣泛應(yīng)用。 非接觸式測(cè)量，無(wú)附加質(zhì)量； 紅色激光，安全可見(jiàn)； 光斑大小可調(diào)，10um；,激光測(cè)振儀的優(yōu)勢(shì),5/27,激光測(cè)振儀原理,激光多普勒測(cè)振儀是基于光學(xué)干涉原理，也就是光強(qiáng)分別是I1和I2的兩個(gè)相干光束相互重疊。其總光強(qiáng)不是簡(jiǎn)單的單獨(dú)光強(qiáng)的相加而是根據(jù)以下稱之為干涉條件的公式得出的Itot = I1 + I2 + 2(I1I2)cos2(r1r2)/由于多普勒頻移f=2v/,即f與速度(v)成正比變化。傳感器獲得的信號(hào)再經(jīng)過(guò)頻率電壓轉(zhuǎn)化

4、為電壓信號(hào)U,由于該轉(zhuǎn)化為線性，即：U=k(F+f)+L=k*f+L 其中L,L為常數(shù)，電壓通過(guò)高通濾波去處直流分量得：U=k*f=2kv/ ，則v=k*U， 電壓與振動(dòng)速度成正比。,一、面外激光測(cè)振儀,6/27,激光測(cè)振儀原理,二、面內(nèi)激光測(cè)振儀,激光內(nèi)測(cè)振儀測(cè)量的是垂直于兩個(gè)匯聚激光探針平分線平面內(nèi)的表面移動(dòng)速度。背散色激光的頻移（多普勒效應(yīng)）決定了速度。信號(hào)處理把振動(dòng)（交流電源）組件和連續(xù)運(yùn)動(dòng)（直流電源，平均速度）分開(kāi)。在測(cè)量頭里面，輸出激光被分成兩束。探測(cè)光離開(kāi)測(cè)量頭，在待測(cè)移動(dòng)表面，以一個(gè)已知的角度匯聚和交疊。 兩束交疊的光作用在由平行光和暗條紋構(gòu)成的干涉圖樣的3D區(qū)域（測(cè)量范圍）將

5、要測(cè)量的表面切割了測(cè)量體積，顯示和散色條紋的中間部分。邊緣間距d僅由交叉半角和光的波長(zhǎng)決定。 波長(zhǎng)的穩(wěn)定，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)對(duì)保持兩個(gè)變量不變是很重要的. 多普勒頻移和速度直接成正比例,7/27,產(chǎn)品概況,激光測(cè)振儀產(chǎn)品是基于光學(xué)干涉原理，采用非接觸式測(cè)量技術(shù)，可以在線實(shí)時(shí)測(cè)量物體的振動(dòng)速度、振幅、加速度等物理量，用于產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)和優(yōu)化等。分辨率在納米量級(jí)。,針對(duì)客戶不同的需求，主要有以下幾種系列：,單點(diǎn)激光多普勒測(cè)振儀 三維激光多普勒測(cè)振儀 多點(diǎn)激光多普勒測(cè)振儀 遠(yuǎn)距離激光測(cè)振儀 掃描激光測(cè)振儀 高頻激光測(cè)振儀 面內(nèi)激光測(cè)振儀 顯微激光測(cè)振儀,8/27,產(chǎn)品概況,白光干涉儀采用光學(xué)干涉技術(shù)，可

6、以沿垂直軸方向?qū)Ρ粶y(cè)物體進(jìn)行掃描，它精密測(cè)量樣品的表面形狀分布。,應(yīng)用領(lǐng)域：,LED晶片基板測(cè)量 表面粗糙度/平整度分析 硬盤懸臂焊接點(diǎn)的直徑測(cè)量 太陽(yáng)能電池紋理缺陷檢測(cè),9/27,產(chǎn)品特色優(yōu)勢(shì),產(chǎn)品的新穎性： 納米光電測(cè)控設(shè)備在中國(guó)的需求量是近幾年才開(kāi)始發(fā)展起來(lái)的,具有相當(dāng)?shù)男路f性。激光測(cè)振儀采用非接觸式測(cè)量，對(duì)物體的振動(dòng)、速度及位移等進(jìn)行測(cè)量；擁有高空間分辨率；可通過(guò)外接顯微鏡或望遠(yuǎn)鏡等設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)微小物體的顯微測(cè)試和大型物體的遠(yuǎn)距離測(cè)試；,先進(jìn)性和獨(dú)特性： 本團(tuán)隊(duì)研制的納米光電測(cè)控設(shè)備在世界上處于先進(jìn)水平,在中國(guó)具領(lǐng)先地位. 其獨(dú)特性在于將激光干涉技術(shù)和三角法位移技術(shù)相結(jié)合,可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)和靜

7、態(tài)的同時(shí)測(cè)量,面內(nèi)激光測(cè)振儀和面外激光測(cè)振儀相結(jié)合,可實(shí)現(xiàn)三維振動(dòng)同時(shí)測(cè)量。,10/27,11,案例 1 振動(dòng)工作臺(tái)和壓電陶瓷測(cè)試,激光多普勒測(cè)振儀應(yīng)用案例,11/27,案例 1 振動(dòng)工作臺(tái)和壓電陶瓷測(cè)試,激光多普勒測(cè)振儀應(yīng)用案例,12,12/27,13,案例 2 音圈電機(jī)測(cè)試,激光多普勒測(cè)振儀-應(yīng)用案例,13/27,50 Hz,20k Hz,案例 2 音圈電機(jī)測(cè)試,激光多普勒測(cè)振儀應(yīng)用案例,14,14/27,激光多普勒測(cè)振儀-應(yīng)用案例,15/27,實(shí)驗(yàn)概述,被測(cè)器件是一6*6的超聲換能器陣列，陣列中的每一單元可單獨(dú)操作，其基本結(jié)構(gòu)是帶有上下電極的壓電薄膜，所有單元的下電極連在一起，上電極單獨(dú)

8、引出，在上下電極間加正弦激勵(lì)信號(hào)可產(chǎn)生超聲波，當(dāng)接收到超聲波時(shí)，上下電極間會(huì)有電信號(hào)。,16/27,實(shí)驗(yàn)概述,激光測(cè)振儀將直徑小于30um的激光光斑匯聚于壓電微超聲換能器的每個(gè)單元上，由信號(hào)發(fā)生器對(duì)其進(jìn)行激勵(lì)，并由激光測(cè)振儀測(cè)量其振動(dòng)量，實(shí)現(xiàn)了激光測(cè)振儀對(duì)微結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的非接觸式測(cè)量，并給出了測(cè)量結(jié)果，包括諧振頻率、信噪比、低壓串?dāng)_等。,17/27,各系統(tǒng)組成及作用,激光測(cè)振儀：發(fā)出并收集測(cè)量光和參考光；,電源：220-240Vrms 50-60Hz 激光波長(zhǎng)：632.8nm 頻率范圍：1Hz2.5MHz 最大測(cè)量速度：20m/s 速度分辨率：1um/s 最大線性誤差：1% 最小光斑尺寸：10

9、um 位移分辨率(20kHZ):0.04nm,18/27,各系統(tǒng)組成及作用,激光測(cè)振儀控制箱：對(duì)采集到的光信號(hào)進(jìn)行分析；,顯示信號(hào)強(qiáng)度,增益設(shè)置,19/27,各系統(tǒng)組成及作用,影像測(cè)量?jī)x：縮小光斑尺寸；,20/27,各系統(tǒng)組成及作用,數(shù)據(jù)采集卡：模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)； 分析軟件：進(jìn)行數(shù)據(jù)分析； 顯示屏：顯示測(cè)量結(jié)果。,21/27,系統(tǒng)示意圖,22/27,試驗(yàn)搭建,23/27,測(cè)試項(xiàng)目及測(cè)試結(jié)果,測(cè)試目的：找出器件的諧振頻率 測(cè)試方法：將光斑定位在單元上電極的中心點(diǎn)，在單元的上下電極間加峰峰值4V的正弦電壓，改變輸入電壓的頻率，記錄相應(yīng)的振動(dòng)速度或振幅，以便于繪制頻響曲線。,24/27,測(cè)試項(xiàng)目及測(cè)試結(jié)果,測(cè)試目的：測(cè)量器件的信噪比 測(cè)試方法：將光斑定位在單元上電極的中心點(diǎn),在單元的上下電極間加峰峰值4V的正弦電壓,頻率即為前面測(cè)試確定的諧振頻率.記錄振動(dòng)的幅度,去除激勵(lì)電壓,再次記錄振動(dòng)的幅度,兩次振幅的比值極為信噪比。 測(cè)試結(jié)果：加載前振幅：0.01um 加載后振幅：0.128um 信噪比：0.078125,25/27,測(cè)試項(xiàng)目及測(cè)試結(jié)果,測(cè)試目的：測(cè)量器件振動(dòng)是否對(duì)周邊單元產(chǎn)生影響 測(cè)試方法：在找到諧振頻率后，在單元的上下電極間加峰峰值4V的正弦電壓，頻率即為前面測(cè)試確定的諧振頻率。將光斑