EL6249C及其在MEMS動(dòng)態(tài)測試中的運(yùn)用

摘要：EL6249C是美國Elantec半導(dǎo)體公司推出的四通道激光二極管電流放大器。文中根據(jù)頻閃成像原理，利用EL6249C設(shè)計(jì)了一套頻閃驅(qū)動(dòng)電路，該驅(qū)動(dòng)電路可驅(qū)動(dòng)高亮LEC，以產(chǎn)生MEMS動(dòng)態(tài)測試中所需的頻閃光，為后續(xù)MEMS器件的動(dòng)態(tài)特性提取和分析做準(zhǔn)備。

關(guān)鍵詞：MEMS EL6249C 動(dòng)態(tài)測試 頻閃

１　引言

微電子機(jī)械系統(tǒng)（ＭＥＭＳ）是在微電子技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的多學(xué)科交叉的新興學(xué)科。由于它與傳統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)相比，具有可大批量生產(chǎn)、成本低、功耗小、集成化等一系列顯著的優(yōu)點(diǎn)，近十年來得到了迅速的發(fā)展。隨著ＭＥＭＳ從研究階段逐漸步入產(chǎn)業(yè)化階段，其對測試系統(tǒng)的需求也越來越迫切。特別是對動(dòng)態(tài)特性的測試技術(shù)，這是因?yàn)椋停牛停拥膭?dòng)態(tài)特性決定了ＭＥＭＳ器件的基本性能；而且ＭＥＭＳ微結(jié)構(gòu)三維微運(yùn)動(dòng)情況、材料屬性及機(jī)械力學(xué)參數(shù)、ＭＥＭＳ可靠性與器件失效模式、失效機(jī)理等關(guān)鍵問題均可通過ＭＥＭＳ動(dòng)態(tài)測試技術(shù)加以解決；同時(shí)，通過動(dòng)態(tài)測試技術(shù)，還可以研究一系列相關(guān)的基礎(chǔ)理論問題。因此，ＭＥＭＳ動(dòng)態(tài)測試技術(shù)近年來得到了國內(nèi)外許多ＭＥＭＳ研究機(jī)構(gòu)的高度重視。

由于許多ＭＥＭＳ器件的運(yùn)動(dòng)頻率都比較高，一般在５０～５００ｋＨｚ左右，甚至更高。在這種情況下，如果用攝像機(jī)在連續(xù)光照下采集高速運(yùn)動(dòng)的ＭＥＭＳ器件的運(yùn)動(dòng)圖像，由于ＣＣＤ的曝光時(shí)間一般需要３０ｍｓ，因此，最終得到的圖像是模糊的。這樣不能正確反映ＭＥＭＳ器件在某一個(gè)位置的運(yùn)動(dòng)情況。為了能夠采集到高速運(yùn)動(dòng)的ＭＥＭＳ器件的清晰運(yùn)動(dòng)圖像，筆者引用了頻閃成像技術(shù)，同時(shí)利用這個(gè)技術(shù)捕獲到了ＭＥＭＳ器件運(yùn)動(dòng)時(shí)瞬間的清晰圖像。在通過頻閃成像技術(shù)得到一系列不同時(shí)刻不同相位的ＭＥＭＳ器件運(yùn)動(dòng)的清晰圖像后，筆者采用機(jī)器微視覺技術(shù)（如塊匹配或光流法）來對它們進(jìn)行分析處理，從而得到ＭＥＭＳ器件的運(yùn)動(dòng)特性。頻閃成像技術(shù)的關(guān)鍵問題之一是如何產(chǎn)生頻閃成像所需的頻閃光。選用ＥＬ６２４９Ｃ驅(qū)動(dòng)高亮ＬＥＤ產(chǎn)生所需的頻閃光后，就可以利用頻閃照明原理來采集高速運(yùn)動(dòng)的ＭＥＭＳ器件的清晰圖像，從而為后續(xù)ＭＥＭＳ器件動(dòng)態(tài)特性的提取和分析做充分地準(zhǔn)備。下面具體介紹頻閃成像的原理、ＥＬ６２４９Ｃ的基本功能及其在ＭＥＭＳ動(dòng)態(tài)測試中的具體運(yùn)用。

２　頻閃成像原理

運(yùn)動(dòng)ＭＥＭＳ器件的運(yùn)動(dòng)頻率都相當(dāng)高，一般在５０～５００ｋＨｚ左右。為了利用機(jī)器微視覺技術(shù)對高速運(yùn)動(dòng)的ＭＥＭＳ器件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行描述，可引入頻閃成像技術(shù)。頻閃成像技術(shù)來自頻閃效應(yīng)原理。所謂頻閃效應(yīng)，就是物體在人的視野中消失后能留一定時(shí)間的視覺印象，即視后效。視后效的持續(xù)時(shí)間，在物體一般光度條件下約在１／５～１／２０ｓ的范圍內(nèi)。如果來自被觀察物體的視覺刺激信號是一個(gè)跟一個(gè)的信號，每兩次間隔都少于１／２０ｓ，則視覺來不及消失，從而給人以連貫的假象。此時(shí)，如果用一閃一閃的光來照明周期運(yùn)動(dòng)的ＭＥＭＳ器件，則在ＭＥＭＳ器件的運(yùn)動(dòng)頻率與閃光頻率相等時(shí)，就相當(dāng)于閃光燈“凍結(jié)”在某個(gè)位置上，這樣，通過多次曝光即可得到ＭＥＭＳ器件在此相位的清晰圖像。圖１所示為頻閃成像原理。假設(shè)要采集高速運(yùn)動(dòng)的ＭＥＭＳ器件零相位時(shí)的清晰圖像，首先可用函數(shù)發(fā)生器來產(chǎn)生照明所需的窄脈沖信號，此信號的周期與ＭＥＭＳ器件的驅(qū)動(dòng)信號相同且在零相位保持同步。即每個(gè)周期內(nèi)高電平的位置應(yīng)與ＭＥＭＳ驅(qū)動(dòng)信號的零相位位置一致。只有這樣才能捕捉到ＭＥＭＳ器件零相位時(shí)的運(yùn)動(dòng)圖像。為了使照明的效果進(jìn)一步優(yōu)化，照明信號高電平的時(shí)間應(yīng)為１００ｎｓ～１０００ｎｓ。這樣，利用這一照明信號并通過頻閃驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)高亮度ＬＥＤ以便使其發(fā)出足夠強(qiáng)度的光照，就可以使ＣＣＤ在零相位多次曝光，從而最終得到所需的固定圖像。

從頻閃成像原理可以看出，為了能夠采集到高速運(yùn)動(dòng)的ＭＥＭＳ器件在不同運(yùn)動(dòng)相位、不同驅(qū)動(dòng)頻率下的清晰圖像，需要設(shè)計(jì)一個(gè)頻閃照明電路。因?yàn)槌上竦暮脡闹苯佑绊懙胶罄m(xù)ＭＥＭＳ器件運(yùn)動(dòng)特性的提取與分析，所以它對ＬＥＤ有很高的要求。首先要有足夠的強(qiáng)度，且對其穩(wěn)定性、可控性也有較高的要求。本文選用ＬｕｘｅｏＴＭ Ｓｔａｒ的ＬＥＤ來滿足應(yīng)用需求。實(shí)際上，要讓ＬＥＤ發(fā)出頻閃成像所需的頻閃光，通常還需要進(jìn)一步設(shè)計(jì)頻閃驅(qū)動(dòng)電路。為此，筆者以ＥＬ６２４９Ｃ作為驅(qū)動(dòng)ＬｕｘｅｏＴＭ Ｓｔａｒ發(fā)光的驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)計(jì)了一個(gè)簡單可靠地頻閃照明電路。３　ＥＬ６２４９Ｃ的基本工作原理

ＥＬ６２４９Ｃ是一個(gè)四通道的激光二極管電流放大器。它采用ＱＳＯＰ封裝形式，其引腳排列如圖２所示。各個(gè)引腳的功能如表１所列。

表1 EL6249C的引腳說明

引腳號	符 號	名 稱	功 能 及 用 法
13	GND	輸入級地端	接供電電源VCC地
9	VCC	輸入級工作電源端	供電電源，為抗干擾，該端應(yīng)接去耦網(wǎng)絡(luò)
14	IOUT	輸出級電流	供給激光二極管的輸出電流
1,2,4,5	IIN	輸入級電流	供給放大器的輸入電流
6,7,8	OUTEN	輸出控制端	輸出電流的數(shù)字控制端（OUTEN Low=No) IOUT,不能懸空
11	ENABLE	電路使能端	ENABLE Low=No IOUT,不能懸空
3	RFREQ	振蕩頻率控制端	接外部電阻來設(shè)置振蕩器的振蕩頻率
12	RAMP	振蕩幅度控制端	接外部電阻來設(shè)置振蕩器的振蕩幅度
10	OSCEN	振蕩器控制端	OSCEN Low=Oscillator Off

當(dāng)ＥＬ６２４９Ｃ工作時(shí)，它可以提供受控的電流給激光二極管。四個(gè)通道之和作為ＩＯＵＴ的輸出，從而允許用戶創(chuàng)建多級波形以優(yōu)化激光二極管的性能。輸出電流的級數(shù)由模擬電壓施加一個(gè)外部電阻來設(shè)置。通常該電阻可以將電壓轉(zhuǎn)換成電流輸入到ＩＩＮ管腳，然后這個(gè)管腳上的電流再經(jīng)內(nèi)部電路放大后由ＩＯＵＴ輸出，以驅(qū)動(dòng)激光二極管發(fā)光。

ＥＬ６２４９Ｃ片內(nèi)還有一個(gè)５００ＭＨｚ的振蕩器。當(dāng)輸出電流為讀模式時(shí)，可以對其進(jìn)行調(diào)制。當(dāng)引腳ＯＳＣＥＮ為高時(shí)，振蕩器被使能。如果通道２、３、４都未激活，則振蕩器關(guān)閉。振蕩器幅度和頻率的控制可由兩個(gè)外部電阻與管腳ＲＦＲＥＱ和ＲＡＭＰ相連來設(shè)置。

ＥＬ６２４９Ｃ的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖３所示。電路中輸出電流的級數(shù)由管腳ＯＵＴＥＮ２、ＯＵＴＥＮ３和ＯＵＴＥＮ４的高低電平共同決定；片內(nèi)振蕩器的使能則由管腳ＯＳＣＥＮ、ＯＵＴＥＮ２、ＯＵＴＥＮ３和ＯＵＴＥＮ４的高電平來使能；管腳ＥＮＡＢＬＥ則用于控制整個(gè)電路的使能。ＥＮ-ＡＢＬＥ為高電平時(shí)，整個(gè)電路才能正常工作，但應(yīng)注意，該腳不能懸空。

圖４給出了ＥＬ６２４９Ｃ的一種典型應(yīng)用電路。在該電路的運(yùn)行過程中，由于高電流值需要快速地ｏｎ／ｏｆｆ切換，所以保證電源供應(yīng)的有效去耦非常重要。在切換過程中，ＶＣＣ承受著極大的瞬態(tài)電流，因此應(yīng)該給ＶＣＣ去耦，并將激光二極管的陰極與去耦電容以一個(gè)短路徑相連。由于導(dǎo)線的電感，即使選用一個(gè)非常好的旁路電容也會(huì)受到響應(yīng)限制，因此有必要在電源旁放置一個(gè)電感，并且在電感旁接一個(gè)去耦電容來防止供應(yīng)線上的切換電流產(chǎn)生的電磁干擾。

４　ＥＬ６２４９Ｃ在ＭＥＭＳ測試中的應(yīng)用

根據(jù)頻閃成像原理，為了采集到ＭＥＭＳ器件高速運(yùn)動(dòng)時(shí)的清晰圖像，本文選用ＥＬ６２４９Ｃ作為驅(qū)動(dòng)芯片來驅(qū)動(dòng)高亮度激光二極管發(fā)光，并利用函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生頻率與ＭＥＭＳ運(yùn)動(dòng)頻率相同的窄脈沖信號，同時(shí)用其作為ＥＬ６２４９Ｃ的控制信號，然后設(shè)置合適的外接電阻以使ＥＬ６２４９Ｃ輸出適當(dāng)?shù)碾娏鱽眚?qū)動(dòng)ＬＥＤ發(fā)出所需的頻閃光。圖５為筆者設(shè)計(jì)的頻閃照明電路原理圖。

在本電路中，為了保證供電電壓穩(wěn)定在所需的５Ｖ上，筆者選用了ＭＡＸ８８６９，這樣可以更好地提高整個(gè)電路的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

５　結(jié)論

本文從ＭＥＭＳ動(dòng)態(tài)測試的需求出發(fā)，根據(jù)頻閃成像原理，利用ＥＬ６２４９Ｃ作為驅(qū)動(dòng)芯片來驅(qū)動(dòng)高亮度激光二極管發(fā)出頻閃光，以便采集高速運(yùn)動(dòng)的ＭＥＭＳ器件在不同相位不同頻率下的清晰圖像，從而為后續(xù)ＭＥＭＳ器件運(yùn)動(dòng)特性的提取與分析做充分地準(zhǔn)備。實(shí)驗(yàn)證明，此設(shè)計(jì)是行之有效的。