9、激光多普勒振动测量技术在微机电系统中的应用

激光多普勒振动测量技术在微机电系统中的应用

1. 引言

微机电系统（MEMS）生产技术的巨大进步，促使其在众多应用领域中开发出可靠的产品。如今，MEMS产品相较于竞争对手的卓越性能，成为商业成功的关键因素。在设计、开发和制造过程中，确保产品的可靠性和高性能至关重要。

光学测量方法因其无损检测和高空间分辨率的特点，在MEMS测试中变得尤为重要。激光多普勒技术能够满足MEMS测量的多项要求，包括对动态特性的分析、高分辨率的运动幅度测量以及对非线性或非重复性瞬态运动的检测。该技术于1964年被引入用于测量流场，随后在振动分析领域得到广泛应用，特别是在MEMS动力学特性表征方面。

激光多普勒振动测量仪能够提供实时的速度或位移信号，结合频谱分析仪或FFT分析仪，可实现对振动的瞬时频谱测量，具有极高的频率分辨率，甚至能测量小于1 pm的振荡幅度。此外，通过扫描激光束获取振动形状的几何分布（即操作变形形状，ODS），使得该技术在MEMS动力学特性表征中具有重要意义。

2. 激光多普勒效应及其干涉检测

2.1 激光多普勒效应

干涉仪使用频率为ω的相干光源照射样品，并测量反射或散射光的相位。振动测量仪测量物体在光线方向上的运动，可将其视为一维问题，此时电磁波方程可简化。在均匀介质中，假设折射率为常数，可得到电场的一般解。物体的运动导致光程长度变化，从而产生多普勒频移，该频移与物体的瞬时速度成正比。

2.2 光检测中的散粒噪声

由连续波激光束照射产生的光电流并非完全稳定，其噪声的理论极限由光和电流的量子特性决定。光电流可描述为泊松过程，由此产生的散粒噪声是影响系统分辨率的重要因素。