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系統識別號 U0002-0809201016503900
中文論文名稱 光機電整合:雷射都卜勒干涉儀及其在微機電元件的應用
英文論文名稱 Optomechatronics: Laser Doppler Interferometer and Its Applications in MEMS Devices
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 98
學期 2
出版年 99
研究生中文姓名 歐奕賢
研究生英文姓名 I-Hsien Ou
學號 697371333
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2010-07-19
論文頁數 49頁
口試委員 指導教授-吳乾埼
委員-戴慶良
委員-李其源
中文關鍵字 雷射都卜勒干涉儀  非接觸式精密檢測  光學量測 
英文關鍵字 Laser Doppler interferometer  Non-contact precision measurement  Optical measurements 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 近年來雷射都卜勒效應干涉儀已成為最廣泛使用於位移與速度量測的儀器。由於微機電(MEMS)產業的進步快速,對於非接觸式精密檢測工具的需求日益殷切。在目前的微機電檢測上,為了達到非破壞性的檢測需求,選擇非接觸的光學為一極佳的方法,可獲得奈米等級的高解析度量測資訊。再者,隨著科技產品越做越小,在瞭解這些待測物的特性上,單一檢測功能並不能滿足其需求。這些需要被檢測的資訊包含物件動態行為對時間的關係,對頻率的關係以及在空間所呈現之情形。其中又以雷射都卜勒干涉儀是目前最常用來做快速掃頻與高速動態檢測的儀器。
本論文提出創新雷射都卜勒干涉儀之光路設計、實驗架構,並針對訊號擷取以及分析進行探討。此雷射都卜勒干涉儀之精度達奈米級,且其解析信號頻寬可至20 MHz,約是傳統干涉儀可用頻寬的50倍。理論上量測值可達0.2 nm,實驗證實其精度約達2.0 nm,足夠供各種微機電元件精密量測之用。
英文摘要 Laser Doppler vibrometer/interferometer has become the most widespread used instrucment in the measurement of the displacement and speed. As the fast devel-opment of the micro-mechanical and electrical systems (MEMS), the demands of the related non-contact type of measurement instruments are dramatically increasing. The optical methods are suitable for non-destructive MEMS metrology. It can obtain nanometer level resolution. Furthermore, as technology products are made in smaller and smaller size, the instrument with single function can not meet all requirements for characterizing the measured objects. The required information includes the dynamic responses in time and frequency domains, and the spatial distribution of the measured micro-structures. To gather information above, the laser Doppler interferometer is most commonly used instrument with fast frequency sweep and high-speed dynamic testing.
In this study the optical configuration and the experimental setup are proposed. The signal acquisition and analysis are also performed. The laser Doppler interfe-rometer poses high measurement precision. The bandwidth of the system is 20 MHz which is about 20 times of the one of the traditional interferometer. The ex-perimental results show that the system resolution is 2 nm. It can provide the mea-surement solution of the MEMS devices.
論文目次 目 錄
誌 謝 i
中文摘要 ii
英文摘要 iii
目 錄 iv
表目錄 vi
圖目錄 vii
第一章 緒 論 1
1-1 前 言 1
1-2 雷射都卜勒干涉儀 2
1-3 文獻回顧 3
1-4 研究動機 7
1-5 研究目的 7
1-6 論文結構 7
第二章 量測原理與系統設計 9
2-1 新型雷射都卜勒干涉儀架構 9
2-1 都卜勒效應 11
2-3 創新雷射都卜勒干涉架構 13
2-4 系統的設計與架構 19
2-4-1 光路設計 19
2-4-2 電子電路設計 20
2-4-3 整體架構 21
2-4-4 程式設計 22
第三章 實驗與結果 23
3-1 實驗架設 23
3-1-1 硬體裝置 23
3-1-2 高頻訊號擷取卡 23
3-1-3 軟體介面整合:LabVIEW介紹 24
3-2 實驗步驟 26
3-3 實驗結果 27
3-3-1 壓電材料(PZT)量測 27
3-3-2 硬碟軸向偏位移量測 32
3-3-3 主軸馬達之徑向偏位移量測 34
3-3-4 應用於微機電元件 36
第四章 誤差分析 43
4-1 物體振動行為 43
4-2 量測表面特性之影響 43
4-3 隨機誤差 45
第五章 結論與展望 46
參考文獻 47
附錄A 光學調校程序 I
A-1 光源與參考面的調校 I
A-2 創新雷射都卜勒干涉儀調校程序 II



表目錄
表 1 雷射干涉儀 6
表 2 實驗裝置與元件一覽表 25



圖目錄
圖 1 傳統型都卜勒干涉儀 10
圖 2 新型都卜勒干涉儀 10
圖 3 創新雷射都卜勒干涉儀光路架構 14
圖 4 都卜勒正交訊號 16
圖 5 呂薩加圓解相位示意圖 17
圖 6 兩種干涉儀出射光比例對訊號的關係 19
圖 7 創新圓偏光干涉儀之光路架構 20
圖 8 光感測訊號後級放大電路 21
圖 9 高頻訊號擷取卡PCI-9812 24
圖 10 量測流程圖 26
圖 11 壓電片動態位移量測裝置 27
圖 12 圓直徑:3 mm,驅動電壓:1 V,量測頻率:1.85 kHz 28
圖 13 圓直徑:6 mm,驅動電壓:1 V,量測頻率:1.85 kHz 28
圖 14 圓直徑:9 mm,驅動電壓:1 V,量測頻率:1.85 kHz 28
圖 15 圓直徑:12 mm,驅動電壓:1 V,量測頻率:1.85 kHz 29
圖 16 圓直徑:15 mm,驅動電壓:1 V,量測頻率:1.85 kHz 29
圖 17 圓直徑:18 mm,驅動電壓:1 V,量測頻率:1.85 kHz 29
圖 18 圓直徑:21 mm,驅動電壓:1 V,量測頻率:1.85 kHz 30
圖 19 圓直徑:24 mm,驅動電壓:1 V,量測頻率:1.85 kHz 30
圖 20 創新雷射都卜勒干涉儀掃頻結果,共振頻率:1.85 kHz,阻抗分析儀檢測共振頻率結果,共振頻率:1.8 kHz 31
圖 21 軸向偏位移測試裝置 32
圖 22 硬碟軸向偏位移量測之呂薩加圓以及正規化的呂薩加圓 33
圖 23 硬碟軸向偏位移變化圖 33
圖 24 主軸馬達之徑向偏位移量測裝置 34
圖 25 主軸馬達徑向偏位移之呂薩加圓以及正規化後的呂薩加圓 35
圖 26 主軸馬達之徑向偏位移變化圖 35
圖 27 微懸臂樑架構裝置示意圖 37
圖 28 微懸臂樑 37
圖 29 驅動電壓:10V,量測頻率:0.5KHz,振幅:1793.41nm 38
圖 30 驅動電壓:15V,量測頻率:0.5KHz,振幅:1873.93nm 38
圖 31 驅動電壓:20V,量測頻率:0.5KHz,振幅:2061.03nm 38
圖 32 驅動電壓:25V,量測頻率:0.5KHz,振幅:2203.82nm 39
圖 33 驅動電壓:30V,量測頻率:0.5KHz,振幅:2314.20nm 39
圖 34 驅動電壓:35V,量測頻率:0.5KHz,振幅:2413.09nm 39
圖 35 驅動電壓:40V,量測頻率:0.5KHz,振幅:2488.52nm 40
圖 36 驅動電壓:45V,量測頻率:0.5KHz,振幅:2577.72nm 40
圖 37 驅動電壓:50V,量測頻率:0.5KHz,振幅:2872.94nm 40
圖 38 創新雷射都卜勒干涉儀量測之結果 41
圖 39 COMSOL模擬之結果 41
圖 40 比較創新雷射都卜勒干涉儀與COMSOL模擬之結果 42
圖 41 鋁板表面之訊號 44
圖 42 黑色塑膠表面之訊號 44
圖 43 實驗用反光貼膜之訊號 44
圖 44 簡易參考面轉移工具示意圖 I
圖 45 雷射光源與參考面調校示意圖 II
圖 46 系統光路 II
圖 47 聚焦於待測物表面 III
圖 48 四組光感測器 III
圖 49 顯微鏡底下觀察到光路平行化佳之干涉條紋 IV
圖 50 顯微鏡底下觀察到光路平行化不佳之干涉條紋 IV
圖 51 訊號放大以及解相位之電子電路 V
圖 52 正交電子訊號強度不同之呂薩加圓 V
圖 53 訊號增益控制器 VI
圖 54 示波器與訊號產生器 VI
圖 55 訊號增益後得到之呂薩加圓 VII

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