White light interferometer for vibration analysis of low-frequency micromechanical resonators

Abstract

Micromechanical (MEMS) resonators are currently the subject of intensive research for applications in timing and frequency control. Due to their small size, low power consumption and compatibility with integrated circuits, they are being considered as alternatives for quartz oscillators. Relying only on numerical modeling and electrical measurements has proven insufficient for understanding the behavior and validating designs of vibrating structures. Instead, direct optical measurements are needed for accurate dynamical characterization of vibration in the devices. During the last decade, white light interferometry (WLI) has become an established method for making three-dimensional profile measurements of various surfaces in the microscale. This form of interferometry with low coherence light sources has the advantage of unambiguous surface height determination over interferometric applications using lasers or other monochromatic light sources. A vertical resolution below one nanometer can be achieved with suitable hardware and post processing techniques. With synchronized stroboscopic illumination, a periodically vibrating object can effectively be "frozen" in place. This allows the use of stationary three-dimensional probing techniques to be used on vibrating samples. Using a CCD imaging sensor enables simultaneous spatial measurements over a wide area of interest. Therefore, stroboscopic imaging white light interferometry is an interesting alternative for vibration measurements of MEMS resonators. In this thesis, a stroboscopic white light interferometer with a frequency range up to a few megahertz and a minimum detectable amplitude limit of one nanometer is designed, implemented and evaluated.

Mikromekaanisia (MEMS) resonaattoreita pidetään hyvien ominaisuuksiensa, kuten pienen koon, alhaisen tehonkulutuksen ja integroitavuutensa ansiosta otollisina kvartsioskillaattoreiden korvaajina mm. langattoman tiedonsiirron ajastus- ja taajuussovelluksissa. MEMS-resonaattoreiden viimeaikaisen nopean kehityksen yhteydessä matemaattisiin malleihin ja sähköisiin mittauksiin nojaaminen on osoittautunut riittämättömäksi MEMS-laitteiden toimintaa ja suorituskykyä tarkastellessa. MEMS-laitteiden värähtelyjen täsmällistä tutkimista varten tarvitaan suoria optisia mittauksia. Viime vuosikymmenen aikana valkoisen valon interferometria on vakiintunut tehokkaaksi työkaluksi mikroskaalan pintojen kolmiulotteiseen mittaamiseen. Verrattuna perinteiseen monokromaattisen valon interferenssiin, valkoisen valon interferometrian etu on mahdollisuus mitata pinnan korkeus yksikäsitteisesti. Sopivalla laitteistolla ja tarkoilla signaalinkäsittelyalgoritmeilla voidaan saavuttaa alle nanometrin pystysuuntainen mittaustarkkuus. Jaksollisesti värähtelevä liike voidaan näennäisesti pysäyttää käyttämällä pulssitettua valaistusta. Tämän ansiosta liikkumattomien kohteiden kolmiulotteiseen mittaamiseen tarkoitettuja keinoja voidaan soveltaa värähteleviin näytteisiin. Lisäksi CCD-kuvakennon käyttäminen mahdollistaa mittaamisen suurelta alueelta kerrallaan. Siksi pulssitettu, kuvantava valkoisen valon interferometria on mielenkiintoinen työkalu MEMS-resonaattoreiden värähtelyanalyysiin. Tässä diplomityössä on suunniteltu ja toteutettu valkoisen valon interferometrinen mittauslaitteisto, joka mahdollistaa nanometriluokan värähtelyjen mittaamisen muutaman megahertsin taajuusalueelle asti.