MEMS扫描镜光学性能的圆片级自动检测系统设计

乔大勇， 王利湘， 夏长锋， 苏小操

(1.西北工业大学 空天微纳系统教育部重点实验室,陕西 西安 710072；2.西北工业大学 陕西省微/纳米系统重点实验室，陕西 西安 710072)



MEMS扫描镜光学性能的圆片级自动检测系统设计

乔大勇1,2， 王利湘1,2， 夏长锋1,2， 苏小操1,2

(1.西北工业大学 空天微纳系统教育部重点实验室,陕西 西安 710072；2.西北工业大学 陕西省微/纳米系统重点实验室，陕西 西安 710072)

为快速准确地检测出一张硅片上数百个MEMS扫描镜的良品与次品，设计了一种自动测量系统。选用高精度二维位置敏感探测器(PSD)设备，设计其后置硬件电路并编写数据采集的程序。结合经典三角法测量角度的原理搭建自动检测系统，在室温和正常光照条件下，完成了MEMS扫描镜光学性能圆片级自动检测的实验。结果表明:该系统能够快速准确地同时对扫描镜的两个轴进行检测并给出结果。

MEMS扫描镜； 自动检测； 三角法； 位置敏感探测器

0　引　言

MEMS扫描镜是一种光学器件，在诸如汽车抬头显示、激光投影、精密图像显示、医学成像和军事应用等很多领域得到广泛应用[1]。在基于绝缘体上硅(silicon on insulator,SoI)的MEMS扫描镜的加工工艺中，一张硅片上能加工数百个微扫描镜[2]，其加工工艺步骤繁多流程复杂，难免会有次品夹杂其中，所以,有必要对加工出来的器件进行光学性能检测。

MEMS扫描镜光学性能的检测，传统上是在扫描镜封装后手动进行的，这种在封装后进行的测试只能阻止不良品进入销售或应用环节，但是由于封装费用在MEMS扫描镜成本构成中占据了重要的份额，封装之后才能发现不良品的测试方法造成了封装材料的浪费并拉高了MEMS扫描镜的销售价格。同时，逐个手动检测的方式效率低下，且易受人为误操作的影响，无法适应批量生产。

本文设计了MEMS扫描镜光学性能的圆片级自动检测系统，在圆片级状态，使用自动探针台和位置敏感探测器(position sensitive detector,PSD)实现了MEMS扫描镜裸片光学性能的自动化检测。该自动检测系统不仅工作效率高、精确度高、能避免人为误操作，还能避免封装材料的浪费和最大程度地控制成本，适用于MEMS扫描镜的批量生产。

1　检测原理分析

1.1手动检测系统原理

图1是传统上手动检测MEMS扫描镜光学性能的原理图。将封装后的扫描镜固定在测试座上，将激光器、测试座

和接收屏按照图(c)所示的三角法原理搭建测试系统。如果扫描镜性能正常，则会在接收屏上扫描出一条直线如图(d)所示。由此，对每一个封装后的扫描镜进行人工检测，并通过肉眼观察接收屏是否出现扫描直线来判定扫描镜的光学性能。

图1　手动检测系统原理图

1.2自动检测系统的原理

同样利用三角法原理，将图1中的接收屏换成PSD，再设计附加的PSD后置电路和数据处理系统，就构成自动检测系统的原理。在图2所示的PSD后置电路模块中，将PSD电极输出的初始电压进行加、减和除法运算，再经过ADC芯片进行数据采集，利用单片机进行计算以及结果的判断。再将该模块连接至上位机终端，就能直接读取检测结果并记录下来。

PSD有一维和二维两种类型。图3是一维PSD的典型PIN型剖面图。PSD由P-I-N三层构成，其中,P层是进行光电转换的有效区域，该层接受光照后产生对应的光电流。如图3所示，2L为光敏面的边长(mm)，在距PSD光敏面中心位置x(mm)处入射一束激光，左右两个方向产生光电流I1和I2并从两个电极输出。以PSD光敏面的中心为原点

(1)

(2)

(3)

二维PSD的工作原理与此相同，并存在位置信号y，由坐标(x,y)确定入射光的位置。

图3　PSD结构图

2　自动检测系统硬件电路与软件设计

2.1PSD选型

目前，MEMS扫描镜主要以二维结构为主，扫描镜性能检测需要对扫描镜的两个轴同时进行，所以应该选择二维PSD。为了保证检测系统的准确性、高效性以及通用性，选择的PSD应具有暗电流小、光谱范围合适、光敏感度大、位移分辨力高以及工作区间合适等特点[4]。本文选择的是由德国First Sensor公司生产的DL400系列二维PSD。该型号集成了初步的光电流转为等效电压以及加法和减法计算电路，由式(3)可得

(4)

(5)

2.2硬件设计

结合图2的原理以及式(4)和式(5)，可以看出,将PSD输出的电压信号做除法运算就能得到位置信号。所以,PSD后置电路需要进行除法运算、电压ADC采集和控制芯片做出响应并输出判断结果。其电路图如图4所示，PSD后置电路设计相对简单，能很好地保证响应速率和精确度。

图4　PSD后置电路

(6)

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

x=W

(7)

同理有y=W。由此可见，除法器输出电压的值就是光斑在PSD光敏面上的坐标值,且-10V≤W≤10V能与两轴方向上的坐标值一一对应。

电压转换电路将除法器输出等比例缩小，方便后续ADC采样。ADC是对除法电路的输出W进行采集，每一个W的值对应的就是PSD上光点的位置信息，如果扫描镜性能正常，就会有不同的W值被采集到。MEMS扫描镜检测中对光斑在PSD光敏面上的坐标精度要求不高，采集结果不用进行复杂的运算，所以,在成品检测阶段，STC12系列的单片机就能满足要求。

2.3软件设计

本系统的软件需完成数据的采集、计算、结果的统计显示，软件流程见图5。

该系统软件实现如下功能:1)判断探针台的探针是否与MEMS扫描镜的引脚良好接触；2)采集PSD上光点的初始坐标并存入(X0，Y0)；3)在给定的时间周期内的不同时间点ti密集采集PSD上的光斑位置坐标存入(Xi，Yi)并与(X0，Y0)对比；4)判断、统计显示结果。如果在某个时刻ti出现Xi≠X0或者Yi≠Y0，则可以判断 x轴是正常或y轴正常。

图5　数据采集处理流程图

3　实验结果与误差分析

3.1自动检测系统

在ELECTROGLAS公司的全自动探针台EG2001平台上进行MEMS扫描镜光学性能的圆片级自动检测实验。按图6所示搭建检测系统，硅片固定于载片台上；激光器与PSD用夹具夹持并位置可调，调节到适当位置后用螺栓固定；打开激光器，检测光路是否正确；连接MEMS扫描镜驱动电路、PSD后置电路与上位机；控制探针台对硅片上单个扫描镜芯片进行自动精准定位。在常温及正常光照条件下进行实验，启动系统，对一批待划片封装的圆片级MEMS扫描镜进行检测。

图6　基于PSD的MEMS扫描镜光学性能自动检测系统

3.2圆片级检测结果

一张完整的硅片上总共有288个扫描镜单元。如图7是一张完成了整个工艺流程后的硅片，在划片前将每个单元打标，然后对其进行光学性能的自动检测，输出结果如图8所示，如上文所述，扫描镜的光学性能的4种情况分别是:双轴都不能正常工作、双轴都正常工作、x轴不正常工作和y轴不正常工作。这4种情况分别对应了图8中的4种不同的颜色:颜色A代表双轴不振、颜色B 代表x轴不振、颜色C代表双轴都振、颜色D代表y轴不振。所以，只要根据这张图就能准确无误地判断图7中这288个单元各自的光学性能，再选择性能优异的器件进行封装，最大限度控制生产成本。

图7　包含288个扫描镜的圆片

图8　检测结果

3.3误差分析

在该MEMS扫描镜光学性能自动检测系统中，光学系统的共轴性、PSD信号处理电路的误差、A/D转换精度以及环境的振动等因素都有可能对测量结果产生影响[5,6]。本系统的误差来源可能有以下几个方面:外界环境的干扰，如其他设备的振动或者大气流；ADC的采集精度；PSD的一致性；激光光斑的大小；模拟器件的温度湿度特性等。

上述因素导致的结果是:光斑位置产生微小的偏差。应对方法是在进行结果判定时给定一个A/D转换的误差缓冲值S，这个值的含义是:当采集的数据和初始坐标的差值不大于S时就判断为光斑无位移，而S折算到PSD上的位移仅仅不到0.1 mm，远小于良品MEMS扫描镜应有的位移，不足以作为该器件为良品的判断依据，这样就可以“过滤”掉大部分误差因素带来的误判断。同时应选用激光光斑较小的直线度好的激光器。

4　结　论

本文设计的自动检测系统，实现了对MEMS扫描镜光

学性能的自动检测，既解放人力，降低生产成本，又具有性能稳定，高效准确的特点。由图8可以看出，该系统能够精确判断二维MEMS扫描镜的任意轴的光学性能。通过进行大量自动检测实验并与人工检测进行对比分析，验证了检测系统的高效性与可行性。

[1]张文栋,熊继军.微光机电系统(MOEM])[M].北京:机械工业出版社,2006:20-25.

[2]刘耀波.一种新型静电驱动二维微型扫描镜的设计及模态[J].光学学报，2013，33(6):1-6.

[3]吴赛燕.基于PSD的位置测量系统[J].科技情报开发与经济，2007，17(2):159-161.

[4]梁凤超，续志军.基于PSD的微位移传感器[J].传感器与微系统，2007，26(3):59-61.

[5]李田泽，王淑云.改进型PSD非线性误差分析及其应用研究[J].光电工程，2008，35(2):123-126.

[6]程泉，李忠科.二维PSD在激光对中系统中的应用及其误差分析[C]∥中国电子学会第十六届信息论学术年会论文集，北京:中国电子学会，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

乔大勇(1977-)，男，山东胶南人，博士，教授，主要从事微机电系统集成设计技术、微/纳制造技术、主动微光学器件、先进MEMS封装和片上能源技术等研究工作。