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mems熱電堆器件測試中光學能量傳輸?shù)难芯?/p>

設計與制造微電機系統(tǒng)。MEMS熱電堆探測器是一種能夠?qū)⒓t外信號轉(zhuǎn)換為電學信號的MEMS器件1mems熱電堆器件晶圓級測試系統(tǒng)硬件設計MEMS熱電堆探測器的工作原理基于賽貝克效應。根據(jù)器件基本原理、測試方法、需要測試的參數(shù)指標及器件晶圓級測試的目標,可將測試需求依次分解為器件的定位及對準、器件測試環(huán)境控制、輸出電學信號采集及數(shù)據(jù)處理4個部分。采用模塊化的設計方法,將具有相同功能和要素的設備進行整合,具有不同功能和要素的設備進行分類,將整個測試系統(tǒng)的硬件部分分為運動控制模塊、環(huán)境溫度控制模塊和信號處理模塊,研制了一種適用于MEMS熱電堆探測器的晶圓級測試系統(tǒng)。運動控制模塊用于實現(xiàn)器件的定位及對準,環(huán)境溫度控制模塊用于完成器件測試環(huán)境控制,即控制晶圓載片臺的溫度和為器件提供合理的紅外輻射激勵。信號采集模塊用于實現(xiàn)熱電堆探測器輸出電學信號的采集。光學能量傳輸系統(tǒng)作為環(huán)境溫度控制模塊的一部分,其功能是為器件提供合理的紅外輻射激勵從而實現(xiàn)對于器件熱結(jié)區(qū)溫度的控制。項目對于光學能量傳輸方案的主要參數(shù)指標要求見表1。2光學能量傳輸方案MEMS熱電堆器件的傳統(tǒng)測試方法是采用黑體爐和光學斬波器來構(gòu)成光學能量傳輸系統(tǒng)2.1基于光照功率的加熱電阻絲試驗MEMS紅外光源是能夠產(chǎn)生紅外輻射的光源,是一種常用的紅外輻射激勵源。它的體積小、能量高,因而相比于傳統(tǒng)黑體爐,它的使用靈活性更高但成本更低。MEMS紅外光源的內(nèi)部分布著加熱電阻絲,當光源處于工作狀態(tài)時,能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)換為熱能。通過控制光源的輸入功率能夠調(diào)整光源的溫度,進而間接地控制發(fā)射到器件的紅外輻射能量。MEMS紅外光源JSIR450如圖2所示,其溫度與功率之間的關(guān)系如圖3所示。根據(jù)輸入電功率與溫度之間的關(guān)系,同時考慮到測試系統(tǒng)最大電壓3V,最大電流為0.24A,所以最大功率應為0.72W,此時對應的溫度為650℃。當測試系統(tǒng)的輸入電壓為0.5V時,輸入電流為0.04A(通過光源功率控制儀表測得),對應的輸入功率為0.02W,此時對應于該功率的加熱電阻絲的溫度應為39℃,低于50℃。因此,紅外光源所對應的黑體輻射溫度范圍能夠滿足項目的要求:50~600℃。2.2節(jié)拍方式實現(xiàn)彈性調(diào)制考慮到熱電堆器件的測試需要測試器件的響應時間,需要有類似于光學斬波器的設備來對紅外光源發(fā)射出的紅外能量進行周期性調(diào)制,筆者選擇快門實現(xiàn)該功能?？扉T是一種常用的斬波設備,被普遍應用于照相機或其他類似設備。通過改變快門的電脈沖頻率可以改變快門的斬波頻率?？扉T不斷地打開閉合就能夠?qū)t外光源所發(fā)射出的紅外能量進行斬波,從而實現(xiàn)周期性調(diào)制的目的?？扉T實物圖如圖4所示。2.3mems紅外光源的信號調(diào)制為確定紅外光源在測試系統(tǒng)內(nèi)部的位置,對待測器件與紅外光源之間的距離d和角度θ對于器件所吸收的紅外輻射功率P的影響進行了仿真。設d為1~7cm,θ為0°~15°。仿真結(jié)果見圖5和圖6。從仿真結(jié)果可以看出,d越大,P越小,且變化的幅度隨著距離減小則更為明顯;而當θ增大時,P變化較小,因而激勵源與待測器件之間的角度θ對器件吸收的紅外功率P影響較小。測試系統(tǒng)需要探針考慮到仿真結(jié)果中d和θ對P的影響,在探針卡上設計了一個圓形開口并將快門固定在探針卡上以控制圓形開口的打開或者閉合。MEMS紅外光源將會被固定在探針卡附近并且與器件呈一定的角度。紅外光源所發(fā)出的紅外輻射能量會通過探針卡上的圓形小開口到達待測器件。通過快門來實現(xiàn)對探針卡上圓形小開口的打開閉合的控制,就能夠?qū)崿F(xiàn)對于MEMS紅外光源所發(fā)出的紅外輻射能量的周期性調(diào)制。因為紅外光源與器件靠近,筆者已盡可能增大了器件能吸收的紅外輻射功率。通過控制紅外光源的輸入功率和快門的脈沖頻率就能夠給器件施加周期性的紅外輻射激勵。根據(jù)測試要求,被調(diào)制后的能量信號將會被發(fā)射到熱電堆器件的紅外吸收區(qū),能夠給熱電堆器件提供周期性的紅外輻射激勵。光學能量傳輸方案3控制變量法測試本文通過實驗驗證了該方案的實際效果。實驗采用對比方式進行。第一組采用傳統(tǒng)黑體爐和光學斬波器提供周期性的紅外輻射激勵信號。第二組采用MEMS紅外光源和快門來提供周期性的紅外輻射激勵信號。為了確保實驗結(jié)果的準確性,采用控制變量法,即在兩組實驗中設置相同的實驗條件,通過對比兩組實驗中熱電堆器件所接收的紅外輻射能量來比較兩組實驗的能量傳輸效率。將黑體爐和MEMS紅外光源的溫度均設置為600℃,將光學斬波器和快門的斬波頻率均設置為1Hz。實驗采用德州儀器的TMP006紅外熱電堆標準組件作為測試設備,實驗時將熱電堆標準組件固定在與激勵源呈一定角度和距離的位置。通過測量紅外輻射激勵溫度與輸出電壓波形可以驗證兩組實驗的能量傳輸效果。測試結(jié)果如圖9、圖10和表2所示。從實驗結(jié)果可以看出,當兩組實驗中實驗溫度與斬波頻率基本相同時,第二組實驗中紅外熱電堆標準組件的激勵溫度明顯高于第一組實驗。因此第二組實驗的能量傳輸效率明顯高于第一組,該光學能量傳輸方案是合理且實用的。4黑圓腔有效發(fā)射率的計算本文設計的MEMS熱電堆探測器晶圓級測試系統(tǒng)的光學能量傳輸系統(tǒng)主要由MEMS紅外光源和快門組成。紅外輻射能量由MEMS紅外光源的能量發(fā)射端發(fā)出。該能量發(fā)射端由筆者自行設計加工,它的內(nèi)部為特定形狀的黑體空腔且使用了漫反射工藝進行處理,從而使空腔內(nèi)壁的黑體發(fā)射率能夠被有效地提升。黑體空腔腔口的直徑為1mm,該能量發(fā)射端如圖11所示。根據(jù)項目要求,MEMS紅外光源的黑體發(fā)射率應大于99.5%。為了有效地提高黑體發(fā)射率,選擇高發(fā)射率的材料來作為腔體材料,該材料為經(jīng)過氧化且經(jīng)過發(fā)黑處理的銅。對于溫度不是特別高的腔體來說,采用高反射率的材料來構(gòu)成腔體以及采用特殊形狀將能夠有效降低黑體發(fā)射率對腔體內(nèi)壁溫度均勻性的依賴。采用積分方法設dA式中J為有效半球輻射,ε為壁面材料半球發(fā)射率。為了便于處理,設整個腔體材料內(nèi)是均勻的,即壁面材料半球發(fā)射率處處相等,E因為又根據(jù)腔體壁面有效發(fā)射率的定義可知因此,黑體空腔內(nèi)沿坐標壁面上的黑體發(fā)射率公式為式中E對于溫度均勻的黑體空腔,各點發(fā)射率可視為相等,應用積分方程法,(3)式變?yōu)閷?5)式代入(4)式,得設M由0<(1-ε)M由中值定理有其中M由(9)式可知,對于溫度均勻、材料表面發(fā)射率均勻的黑體空腔,其空腔內(nèi)各點的有效發(fā)射率可以描述為材料表面發(fā)射率的函數(shù)。設M對于實際黑體空腔有效發(fā)射率,由于M(11)式就是溫度均勻黑體空腔的有效發(fā)射率計算公式。黑體空腔的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖12所示。由黑體空腔內(nèi)部結(jié)構(gòu)得根據(jù)(11)式,得(12)式為黑體發(fā)射率的計算公式,結(jié)合L與R經(jīng)過氧化及發(fā)黑處理的銅表面發(fā)射率通常會大于0.88(甚至高于0.9)。根據(jù)(13)式,可知黑體發(fā)射率計算公式在[0.88,1)的范圍內(nèi)為增函數(shù)。發(fā)射率隨著ε的增加而增加。當ε=0.88時,可得黑體空腔發(fā)射率為0.9994>0.995。因此,在該光學能量傳輸方案中,黑體空腔的腔口發(fā)射率明顯高于0.995,能夠滿足項目要求。5熱電堆器件的渠道在MEMS熱電堆探測器晶圓級測試系統(tǒng)的開發(fā)過程中,根據(jù)熱電堆器件的測試需求,設計了一種光學能量傳輸方案。該方案體積小且成本低,具有較好的實用性,能夠給熱電堆器件提供周期性的紅外輻射激勵。此外,采用積分法證明了該方案的黑體發(fā)射率