摘 要：介绍了一种新型集成光栅干涉微位移测量方法，设计加工了微位移敏感芯片，并进行了初步的性能测试.敏感芯片利用硅-玻璃键合体硅工艺制作而成，在玻璃上制有金属光栅，光栅上方有由铝梁支撑的可动结构.实验系统由敏感芯片、半导体激光器、光电二极管以及相应的驱动、检测电路组成.入射激光照射到光栅上产生衍射光斑，衍射光的光强随可动结构与光栅之间的距离变化，通过测量衍射光强的变化可以得到位移.测试实验结果表明，所制作的集成光栅干涉微位移敏感芯片可实现位移检测，最小可检测的位移约 0.2 nm.
微位移测量技术广泛用于精密计量及微机电系统(micro electro mechaNIcal system，MEMS)，通过测量位移可以间接检测到很多物理量，如加速度、压强和应力等.随着MEMS 技术的发展，将光栅干涉技术与 MEMS 结合的集成光栅干涉微位移测量方法近年来得到越来越多的关注.Manalis 和 Yaralioglu 等[1-2]在研究原子力显微镜(atomic force microscopy，AFM)时率先将此方法用于测量悬臂梁的偏转.这种位 移 检 测 方 法 可 以 实 现 很 高 的 分 辨 率 ( 10 5nm/Hz0.5)，已被用于高分辨率加速度计[3-4]，加速度分辨率可达到 40 ng/Hz0.5(40 Hz)(g 为重力加速度).Hall 等[5-6]提出了一种改进的结构，采用表面工艺制作，已应用于微型麦克风上.
笔者结合国内工艺条件，利用体硅工艺制作了集成光栅干涉微位移敏感芯片，并搭建了测试系统，测试了其微位移检测性能.
1 结构方案的比较
图 1(a)所示为 Manalis 等提出的用于 AFM 的集成光栅干涉位移检测结构，可动梳齿位于带针尖的悬臂梁上，参考梳齿与悬臂梁的支撑部分固连.图1(b)所示为衍射示意图，可动梳齿和参考梳齿成相位敏感衍射光栅，当相干光束入射到光栅上时，可动和参考梳齿反射入射光并干涉形成多级衍射光束，这些光束的强度 I 与可动梳齿和参考梳齿的相对位移 d 成正弦或余弦关系.Hall 等提出的改进结构如图 2 所示，在透明基底上利用金属制作参考光栅，导电薄膜作为可动反射面，形成相位敏感光栅.在薄膜和参考光栅电极之间采用静电驱动，使这种结构能够调节薄膜和光栅的间距.
采用图 1 和图 2 所示的两种方式均可以实现对微小位移的检测，但是这两种方式所能得到的灵敏度存在差异.由于光强与位移为正弦(或余弦)关系，故光强对位移的 1 阶导数(即光强随位移变化的灵敏度)为余弦(或正弦)函数.以 1 级衍射光为例，其光强 I 与位移 d 的关系为
由式(2)可知，当 d 等于 λ/8 的奇数倍时，光强对位移变化的灵敏度最大.在图 1 所示的方式下，初始的灵敏度由制造工艺和重力等共同决定.而图 2 所示的方式通过引入静电吸引来调节光栅与反射面的间距，能够方便地调节检测灵敏度，并且可以进一步引入反馈以增大量程.
两种结构形式中，在间隙改变的同时反射面会发生倾斜或弯曲变形，这会影响到衍射光斑的质量.
2 测量原理
图 3 所示为笔者所采用的集成光栅干涉微位移测量的原理图.
根据前面对于两种结构形式的比较，本文选择图2 所示的方式.由于图 2 所示的反射面在位移改变的同时还有倾斜或弯曲变形产生，笔者对此做了改进设计：反射面位于可动部件底部，可动部件的厚度远大于支撑梁，使可动部件产生位移时保持平动，不影响光斑的品质.可动部件通过支撑梁与固支结构连接.固支结构与带有光栅和电极的玻璃基底键合在一起.入射激光照射到光栅上，一部分光由光栅条直接反射;另一部分通过光栅间隙照射到可动部件上的反射面，然后反射回来，这部分光相对于直接由光栅条反射的光具有 2k0d 的相移(k0=2π/λ).这两部分光干涉形成衍射光斑.衍射光的强度与可动部件和光栅的间隙有关，对于 0 级和 1 级衍射光，其光强 I 与间隙 d 的关系分别为
式中 Iin为入射光强.当可动部件发生位移时，d 改变，从而使光强发生变化.通过检测某级衍射光强的度由光栅周期决定，在与光栅相距 L 的观测平面上，1 级衍射光与 0 级衍射光的中心间距为 Lλfg，fg为光栅条的空间频率.
3 结构设计与工艺流程
本研究采用硅-玻璃键合体硅工艺[7]制作集成光栅干涉位移传感器的敏感芯片，用硅做可动部件和固支结构，在可动部件下方设置保护突台，可动部件与固支结构以铝支撑梁连接.可动部件中心区域沉积铝作为反射面.支撑梁采用对称布置.玻璃上的光栅条宽度为 3 μm，间隙为 4 μm.
工艺流程如图 4 所示.① 首先在玻璃片上涂胶、光刻，形成电极、引线和光栅图形，依次溅射 Ti、Pt 和 Au，剥离形成电极、引线和光栅.② 硅片背面涂胶、光刻，反应离子刻蚀，形成 2 μm 深的浅槽和键合台面.③ 硅片背面涂胶、光刻，反应离子刻蚀，形成 7 μm 高的保护突台和 9 μm 深的间隙.④ 硅片背面蒸镀 1.5 μm 厚的铝，退火形成欧姆接触;光刻、刻蚀形成支撑梁及可动部件上的反射面.⑤ 硅片背面与制备了电极和光栅的玻璃键合;对硅片正面进行磨片减薄，使硅片厚度约为 80 μm，然后进行抛光.⑥硅片表面涂胶、光刻，感应耦合等离子体刻蚀刻透硅片，形成可动部件结构，释放出支撑梁.⑦ 最后进行划片、裂片及封装.
4 实验结果
测试系统见图 3，采用的激光器功率为 5 mW，波长为 635 nm，由恒功率电路驱动;在可动部件与光栅之间施加直流偏置电压，通过静电吸引来调节间距d;衍射光强通过光电二极管转换为电流信号，然后经过跨导放大器转换为电压信号.图6 所示为实验中采用的光电二级管和观察到的衍射光斑(用薄纸片作为光屏，纸片上的小孔是为了透过入射光).
如图 7 所示，1 级衍射光的光强随可动部件与光栅电极间的电压而变化.可动部件与光栅电极之间加 7.8 V 直流偏置和幅值 0.1 V、频率 1 Hz 的方波电压.可动部件与光栅间的电压变化导致可动部件与光栅间隙 d 发生变化.从图中可以看出，输出光强信号很好地反映了位移的变化.图 8 所示为光强信号电压 US随偏置电压平方 UB2的变化.根据式(1)，信号电压从波峰变化到波谷对应着间隙 d 变化 1/4 λ(约 159 nm).根据静电驱动知识[8]，当间隙变化量远小于初始间隙时，间隙变化量与偏置电压的平方成正比.根据图 8 得到谷峰间 AD 段间隙的变化量 d 约159 nm，对应的偏置电压平方变化量 U2为 32.9V2，则 UB2/ d=0.207 V2/nm.图 8 中 BC 段拟合直线的斜率 US/ UB2=0.484 V/V2，则相应的光强信号电压对间隙变化的灵敏度约 US/ d=0.1 V/nm.实验测得噪声电压的均方根值约 3 mV，其噪声电压的峰-峰值约为 20 mV，则 BC 段的位移分辨率约为 0.2 nm.
5 结 语
本文介绍了集成光栅干涉微位移测量方法，笔者通过改进结构设计以提高衍射光斑品质，结合国内工通过测试验证了其可行性. 初步的测试表明，位移分辨率可达 0.2 nm.
致谢：
感谢中国电子科技集团公司十三所和北京大学予的帮助.
参考文献：
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[8] Bao Minhang. Analysis and Design Principles of MEMSDevices[M].New York：Elsevier，2005.
基金项目：国家自然科学重点基金资助项目(50730009).
作者简介：伍 康(1982— )，男，博士研究生.
通讯作者：叶雄英，研究员，xyye@mail.tsinghua.edu.cn.
