CN1303396C - 基于显微干涉技术的微机电系统的测试装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于显微干涉技术的微机电系统的测试装置与方法。所述的装置主要包括由光学显微镜、Mirau干涉仪、相移控制器、频闪照明驱动装置、LED阵列、MEMS结构运动激励装置组成，其特征在于：光源采用二极管阵列，且每个子光源均有独立的准直器；显微干涉采用分光路Mirau干涉显微镜并与相移控制器集成一体。所述的测试方法，其过程包括频闪与驱动信号的同步控制、干涉图像中突变区域的隔离、三维表面形貌图的重构与倾斜修正、三维表面形貌图的归一化分析、测量点的跟踪。本发明的优点在于：采用虚拟仪器的方式以便于系统的功能调整和扩展；在连续光和频闪照明方式下，采用分光路Mirau干涉显微镜和相移器件实现精度高、抗干扰能力强的三维运动特性的测试。

Description

基于显微干涉技术的微机电系统的测试装置与方法

                               技术领域

本发明涉及一种基于显微干涉技术测试微机电系统(MEMS)中结构的三维几何参数和运动特性的装置与方法。属于面向微机电系统的光电非接触法的几何量和机械量测试技术。

                               背景技术

测试技术在微机电系统(MEMS)研发过程与产业化过程中具有重要的现实意义。目前MEMS的测试手段主要是借助于传统的IC测试工具和扫描电子显微镜、原子力显微镜等昂贵的微观测试设备，但以上设备并不是针对MEMS测试的专用设备，无法实现MEMS结构动态特性的测试，同时这些设备价格昂贵，测试速度慢，测量范围小，对测试环境要求苛刻。近年来，随着MEMS从研究阶段逐渐步入产业化阶段，对测试系统的需求更为迫切。由于通过几何尺寸和运动特性的测量，可间接反映出MEMS器件的基本性能，如：MEMS微结构三维微运动情况、材料属性及机械力学参数、MEMS可靠性与器件失效模式、失效机理等，因此MEMS动态测试技术的重要性更为突出。

MEMS结构的测试分为以下几个部分：一是结构平面尺寸的测量；二是结构平面运动的测量；三是结构纵向尺寸的测量；四是结构纵向运动的测量。由于MEMS结构的动态特性决定了MEMS的基本性能，因此动态测试技术在MEMS研发过程中具有重要的意义。

近年来，对微尺度下MEMS器件动态特性的测试方法已经进行了很多有益的探索，并取得了一些有实用价值的研究成果，如应用频闪成像技术采集周期性高速运动的MEMS活动部件的运动图像，利用数字图象处理技术分析其动态特性；通过激光精密测量中的相移干涉技术和计算机视觉中的亚像元分析技术等来提高测量精度；利用激光多普勒测速技术实现MEMS器件瞬态运动的实时测量等。

在实现MEMS纵向尺寸和周期运动状态的测量时，目前主要有两种方法，一是数字图像的焦平面测量法；一种是显微干涉测量法。由于第一种测量方法的精度较低，因此目前的关注点主要是显微干涉测量法。

国外的研究机构，如：美国麻省理工大学、加州大学伯克利分校和圣地亚国家实验室报道了一些关于利用显微干涉技术进行MEMS动态测试样机的情况，具有以下特点：(1)所采用的干涉仪主要为迈克尔逊Michelson干涉仪和Linik；(2)采用频闪照明技术实现运动瞬间的捕获；(3)采用单波长光源(发光二极管LED或半导体激光LD)作为光源。

通过对现有技术的综合分析和比较，目前所报道的技术方案主要存在以下几方面的问题：第一、Michelson干涉显微镜的放大倍数不能超过5×，且测量视场小，Linik干涉显微镜难以完全达到对两个物镜特性完全相同的要求，容易受到外界的干扰；第二、对通过显微干涉技术所得到的几何量参数缺乏统一的评价方法；第三、在评价三维耦合运动时，缺乏有效的测量点跟踪手段；第四、一般只采用单个波长的光进行干涉测量，系统的抗干扰性较差；第五、测量装置系统性不强，扩展能力较差。

                               发明内容

本发明的目的在于提供一种基于显微干涉测试微机电系统(MEMS)几何参数和动态特性的装置与方法，它具有抗干扰性强、测量范围宽、测量精度高等特点。

本发明是通过下述技术方案加以实现的。基于显微干涉技术，进行微机电系统(MEMS)几何参数和动态特性测试的装置，该装置包括三维微动测试台、光学显微镜、Mirau干涉显微镜、相移控制器、频闪照明装置、驱动信号切换开关、光源、MEMS结构运动激励驱动装置、CCD摄像机、图像采集卡、数据处理和控制计算机，其特征在于：光源为多波长光源，采用由白、红、黄、绿发光二极管组成的阵列，并且每个子光源均设有独立的准直器；Mirau干涉显微镜与相移控制器集成一体实现显微干涉测量。

作为光源的发光二极管阵列包括十二只发光二极管，第1行和第4行分别为2只，第2行和第3行分别为4只，其中白、红、黄、绿色各为三只，每一种颜色的发光二极管按照等边三角形布置，四个等边三角形以相互交叉的方式均匀布置。

上述显微干涉部分，包括Mirau干涉显微镜和相移控制器。

采用上述装置，基于显微干涉技术进行微机电系统(MEMS)几何量参数和动态特性的测试方法，其过程包括频闪与驱动信号的同步控制、Mirau干涉显微镜的相移控制、不同相移下干涉图像的采集、干涉图像中形貌突变区域的隔离、对不同相移下干涉图像的相移和相位展开计算得到三维表面形貌图、三维表面形貌图的倾斜修正、三维表面形貌图的归一化分析、测量点的跟踪，其特征在于，在对静止MEMS结构进行几何参数测量时：

(1)将照明装置设置为连续照明方式，对MEMS器件进行照明；将被测的MEMS器件固定在三维微动测试台；

(2)利用标准PAL制CCD摄像机，获得MEMS的被测结构静止状态的干涉图像；调整相移控制器的输出，使得产生等间距的5个呈台阶变化的相移，在每一相移台阶采集当时的干涉图像，共5幅干涉图像；

(3)依据干涉条纹所出现的边缘对干涉图像进行边缘特征提取，将边缘所包含，且无干涉条纹的区域作为形貌突变区域，并将该区域每一像素的灰度值赋为0，以实现形貌突变区域的隔离；

(4)利用5步Hariharan相移算法对上述处理得到的5幅干涉图像进行综合分析，得到反映三维形貌的1幅相位图；利用最小二乘相位展开算法分析该相位图，得到包含表面形貌信息的三维图像；

(5)对三维形貌图进行倾斜修正，先以整幅图像或图像中人为选择的局部区域计算出它们的最小二乘平面，并以该最小二乘平面的斜率对整幅图像进行倾斜修正；

(6)对三维图像进行归一化评价，实现几何参数测量；归一化评价几何参数准则是：两个平面的平行度为两表面的最小二乘平面的平行度；立面的垂直度是以它的底面和该立面的最小二乘平面的夹角来进行评价的；平面结构的轮廓线是对各横截面利用曲线拟合技术得到亚像元精度的边缘点的连线；轮廓线的包络中心线是评价平面结构的尺寸、平行度和垂直度的测量线。

在对运动MEMS结构进行运动特性测试时：

(1)将被测的MEMS器件固定在三维微动测试台，并将MEMS器件中运动结构的激励输入端与三维微动测试台的电极引脚相连；将照明装置设置为频闪照明方式，对MEMS器件进行频闪照明，频闪信号的周期与运动激励信号的周期相同，且保持固定的延迟时间，因此MEMS结构的周期运动在频闪照明下基本属于“冻结”状态；

(2)设置同一相位频闪的次数，使标准PAL制CCD摄像机进行多次曝光，进行曝光的积分效应，获得MEMS的被测结构静止状态的干涉图像，调整相移控制器的输出，使得产生等间距的5个呈台阶变化的相移，在每一相移台阶采集当时的干涉图像，共5幅干涉图像，通过干涉图像中形貌突变区域的隔离，并进行5步Hariharan相移算法和最小二乘相位展开算法的计算，可得到MEMS被测结构的在上述运动周期所对应的固定时刻下，即周期运动相位的表面形貌的三维图像；

(3)调整频闪信号与运动激励信号的延迟时间，即调整所“冻结”的周期运动相位，重复步骤(2)，即可得到MEMS被测结构在不同周期运动相位的表面形貌的三维图像；延迟时间与一个运动周期中所采集三维图像的数量相对应，通过不断调整延迟时间，可得到反映MEMS结构运动特性的三维图像序列；

(4)通过结合干涉图像中形貌突变区域的隔离结果，对不同周期运动相位下表面形貌的三维图像序列进行空间域分析和评价，可得到一定驱动频率下MEMS结构的三维周期运动状况；其评价准则为：当图像中形貌突变区域不影响运动结构三维图像的重构时，依据运动结构的三维图像提取出结构平面特征轮廓线，通过图像匹配确定该轮廓线在整幅图像中的相对位置，从而得到结构的平面运动位移，同时依据结构平面特征轮廓线建立相对测量坐标系，得到所选定的测量点在每幅图像中所处的相对位置，比较三维图像序列中测量点所对应各相对位置像素的高度信息，得到结构的离面运动位移；当图像中形貌突变区域使得运动结构三维图像不能完全重构时，依据干涉图像中形貌突变区域的隔离结果提取出结构平面特征轮廓线，通过图像匹配确定该轮廓线在整幅图像中的相对位置，从而得到结构的平面运动位移，同时依据结构平面特征轮廓线建立相对测量坐标系，得到所选定的测量点在每幅图像中所处的相对位置，比较所重构的局部三维图像序列中测量点所对应各相对位置像素的高度信息，得到结构的离面运动位移；

(5)以一定的步距调整驱动信号的频率，使得MEMS结构以不同的频率进行运动，重复步骤(2)(3)和(4)，可得到结构在一系列驱动频率下的三维运动的详细特征，通过综合分析不仅可得到结构的谐振频率和品质因数，还可得到结构的三维运动状态全过程。

本发明的优点在于：采用虚拟仪器的方式组建内部的功能模块，便于系统的功能调整和扩展；在连续光照明方式下，采用分光路Mirau干涉显微镜和相移器件实现精度高、抗干扰能力强的表面形貌检测，并采用归一化的方法进行几何量参数的评定；在频闪照明的方式下，利用标准PAL制CCD摄像机实现MEMS中高速周期运动结构的瞬间图像的采集，并辅以相移算法、相位解包裹算法及空间域分析，以解析的表面轮廓建立参考测量系，得到结构的三维运动特性；采用快速的光源切换，实现灵活的多波长干涉，提高测量的范围。

                               附图说明

图1利用频闪照明实现动态特性测试的基本原理示意图；

图2基于显微干涉技术的MEMS动态测试装置系统框图；

图3纳米级三角形台阶的干涉图像；

图4包含纳米级三角形台阶三维形貌特征的相位图；

图5纳米级三角形台阶的表面形貌重构的局部三维图像；

图6倾斜度修正后三角形台阶的局部三维形貌图；

图7为实现亚像元精度对三角形台阶边缘进行曲线拟合的示意图；

图8MEMS谐振器在运动相位30°下零相移的干涉图像；

图9MEMS谐振器在运动相位30°下λ/8相移的干涉图像；

图10MEMS谐振器在运动相位120°下零相移的干涉图像；

图11MEMS谐振器在垂直方向的运动曲线图；

图12频闪光源中发光二极管LED阵列图。

                             具体实施方式

实施例1：

本实施例主要关注在连续照明条件下，利用相移显微干涉技术实现MEMS结构三维几何尺寸和形位误差等几何量参数的测试。

测量与控制计算机通过GPIB控制卡，控制任意波形发生器输出一直流电压驱动信号，使得频闪照明装置工作在连续照明状态下，MEMS结构放置在光学显微镜下的三维微动测试台上。

利用相移控制器控制Mirau干涉仪的物距，调整的间距为λ/8，λ为干涉光源的波长，等间距调整4次，包括初始点，可依次得到等间距的5个相移，分别为0、π/2、π、3π/2、2π，在每个相移差利用计算机控制图像采集卡采集CCD摄像机获取的MEMS器件的干涉图像，共5幅图像。如图3所示为纳米三角形台阶在0相移下的显微干涉图像，其它4幅干涉图像与图3基本相似，只是干涉条纹有一定的错位。利用5步Hariharan相移算法对5幅干涉图像进行相位提取，得到如图4所示的包含纳米三角形台阶三维形貌的相位图。在5步Hariharan相移算法中，计算相位采用的公式为：＝arctan[(2I₁-2I₃)/(-I₀+2I₂-I₄)]，I₀至I₄分别为5幅干涉图像中对应位置的光强。

利用基于快速离散余弦变换的最小二乘相位展开算法，寻找已展开的相邻像素点间相位差值与该相邻像素点间未展开相位差值之差的最小二乘解，得到MEMS器件静止状态下表面形貌，重构得到纳米三角形台阶的三维图形，如图5所示。由于工作台和被测对象的倾斜是不可避免的，从图5可明显看出，为了真实反映表面形貌的变化，运用倾斜修正算法，对图5进行倾斜修正处理，图6所示为倾斜度修正后的纳米三角形台阶三维形貌的局部图。

倾斜修正算法有两种实现方式：(1)在缺省情况下，对整个图像进行分析，先计算出图像中每一行的斜率，然后计算出每一列的斜率，最终计算出整个视场表面形貌的最小二乘平面，依据该平面的斜率来进行图像数据的修正；(2)在图像上人为地选择特定的区域，针对该选定区域的表面形貌以与(1)相同的方法的计算出最小二乘平面的斜率，并进行相应的数据修正，这将有助于建立相应的测量基准面，实现三维几何量的归一化测量。图6为对整个图像进行倾斜度修正的结果，三角形纳米台阶的标准高度为44nm，测量结果为43.56nm。

为了实现MEMS结构几何量测量的归一化，具体实施中具有以下特点：(1)两个表面的平行度的评价来自于两表面的最小二乘平面的平行度，如图6所示的纳米台阶的上下表面；(2)侧壁的垂直度由底面和侧壁的最小二乘平面的夹角来评价，如图6所示的纳米台阶下表面与向上表面过渡的侧面；(3)逐行得到三维图像的截面，如图7所示，针对相应横截面上轮廓线利用三次曲线拟合技术得到亚像元精度的边缘点，连接各截面的边缘点，确定表面平面结构的轮廓线；(4)对MEMS结构平面几何量参数的评价都是在步骤(3)所得到的亚像元精度的轮廓线的基础上进行的，即计算出轮廓线的包络中心线，并将其作为评价平面尺寸、平行度、垂直度等几何量参数的基准线。

实施例2：

本实施例主要关注在频闪照明条件下，综合利用相移显微干涉技术、图像空间域分析及基于表面轮廓特征的测量相对参考坐标系建立，实现MEMS结构三维运动特性的测量。

MEMS结构运动激励驱动设置相应的参数并启动周期性正弦驱动信号，频率为10kHz，偏置电压为20V，峰峰值为160V，驱动MEMS谐振器产生周期平面运动，同时在垂直方向上产生一定的耦合运动。

利用相移控制器控制Mirau干涉仪处于初始物距状态，初始时输出与运动激励信号同步的频闪照明控制信号，即频闪脉冲的上升沿为正弦驱动信号的0°相位上，频闪信号的脉冲宽度为1.5μs，在1500个运动周期的每一0°相位上进行1次频闪曝光，频闪照明结束后计算机采集这一阶段的干涉图像；然后调整相移控制器，使得干涉仪的物距以λ/8的步距变化一步，即产生π/2固定的相移，继续输出与运动激励信号同步的频闪照明控制信号，1500次频闪照明结束后计算机采集这一阶段的干涉图像；继续以λ/8等步距地调整干涉仪的物距，并同步输出频闪信号，次数为3次，每次得到一幅干涉图像，包括上2步的干涉图像，共得到5幅干涉图像，对5幅干涉图像进行5步Hariharan相移算法的相位提取和最小二乘相位展开，可得到MEMS结构运动在初始相位下(0°)时表面形貌的三维图。最后利用相移控制器控制Mirau干涉仪重新回到初始物距状态。

以一定增量30°增加频闪照明控制信号与运动激励信号的延迟相位，并在每一次两信号的延迟相位调整后重复以上所述的干涉仪的相移控制，并得到每一相移的5幅干涉图像。图8为MEMS谐振器在同一运动相位下(0°)零相移的干涉图像，图9为MEMS谐振器在同一运动相位下(0°)λ/8相移的干涉图像，可看出因相移的变化(调整物距)引起的干涉条纹位置变化，而不存在平面运动。经过5步Hariharan相位提取和基于快速离散余弦变换的最小二乘相位展开处理后的表面形貌的三维图像。频闪照明控制信号与运动激励信号的相位差达到一个周期后，就得到了MEMS结构运动在不同相位下(0-360°)时表面形貌的三维图像，共12幅。图11为MEMS谐振器上1点的周期垂直运动情况。

频闪照明控制信号与运动激励信号的相位延迟增量可以是等间距的，如上述情况，也可以是非等间距的，其大小也可以进行灵活的调整。相位延迟增量越小，将在一个周期内能够在更多的运动相位下得到MEMS结构的表面形貌的三维图像。如果相位延迟增量设定为10°，将对一个运动周期等间距采集36幅图像，更能反映出MEMS的动态特性。

对MEMS结构表面形貌的三维图像序列等效为灰度值反映高度信息的平面图像，通过相位相关和二次曲面拟合比较平面特征在各幅图像中的相对位置，可得到结构的平面运动情况；另外，依据所提取的平面的特征边缘，可建立相对的测量坐标系，得到所选定的测量点在每幅图像中所处的相对位置，比较三维图像序列中测量点所对应各相对位置像素的高度信息，得到结构的离面(垂直方向)运动位移。

下式为相位相关运算的基本公式。

$\frac{F_1(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})\·{F_2}^{*}(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})}{|F_1(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})\·{F_2}^{*}(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})|}=e^{j2\mathrm{\π}({\mathrm{\ξx}}_0+{\mathrm{\ηy}}_0)}---\left(1\right)$

其中，F₁和F₂分别为两幅图像(不同运动相位所采集的图像)的傅立叶变换的结果。由(1)式及傅立叶变换的理论可知，该相位谱包含了两幅图像的位置平移信息，而且它是一个频谱幅度在全频域内为1的功率谱。对(1)式进行逆傅立叶变换可知，相位相关函数是一个位于两图位置偏移(x0，y0)处的δ脉冲函数，也称之为相关峰。当两幅图像完全相似时，其值为1，反之为0。因此，在本发明中利用两幅图像的相位相关运算结果确定图像的位移偏移量，以此来确定运动状况。

本发明采用二次曲面拟合进行亚像元的分析。曲面拟合法的思想是：以像元级上的最佳匹配点为中心，按相似性度量进行曲面拟合，然后通过相应的数学方法计算得到极值点的精确位置。本发明采用相位相关的相关系数作为相似性度量特征，选择二次曲面作为拟合函数，在计算中采用多变量最小二乘回归法确定极值点的精确位置。

二次曲面拟合函数采用公式为：

PC(x，y)＝ax²+by²+cxy+dx+ey+f

其中，PC(x，y)为对应于位置(x，y)的相位相关值。上述函数可以写成如下形式：

AX＝B

式中，

$A=\left[\begin{array}{cccccc}{x_0}^2& {y_0}^2& x_0{y}_0& x_0& y_0& 1\\ {x_1}^2& {y_1}^2& x_1{y}_1& x_1& y_1& 1\\ \·& \·& \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·& \·& \·\\ {x_8}^2& {y_8}^2& x_8{y}_8& x_8& y_8& 1\end{array}\right],X=\left[\begin{array}{c}a\\ b\\ c\\ d\\ e\\ f\end{array}\right],B=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{PC}}_0\\ {\mathrm{PC}}_1\\ \·\\ \·\\ \·\\ {\mathrm{PC}}_8\end{array}\right]$

本发明在拟合计算中采用多变量最小二乘回归法，使得计算简单、准确。在计算过程中，将向量X作为回归系数，并假设随机变量B的取值依赖于矩阵A中的自变量，回归系数的求取即为拟合函数的系数。在求得拟合函数的系数之后，可以利用下式求得亚像元精度的图像偏移的精确位置。

$x=\frac{2\mathrm{db}-\mathrm{ce}}{c^2-4\mathrm{ab}},y=\frac{2\mathrm{ae}-\mathrm{dc}}{c^2-4\mathrm{ab}}$

在以上情况下，通过测量被测表面引起的位相来测量表面形貌的。由于光波振动的周期性，干涉光强中被位相调制的干涉项是被测位相的周期性函数，因此在一般情况下只能得到被测位相关于π的模，被测位相的测量范围被限制在π范围内，相移干涉法可将位相测量范围扩大一倍，相应地表面形貌深度测量范围也扩大了一倍，但深度测量范围仍然是相当狭窄的。如果表面形貌是连续变化的，那么通过相位展开处理，仍然能够得到几微米的深度测量范围，这只与干涉仪中光源的相干长度是相关的，但是如果表面形貌在高度上存在突变，整个视场的三维图像不能正确解析出，那么就不能得到整个视场的表面形貌。当高度上的突变达到一定时，在突变区域将不能同时观察到干涉条纹的存在，如图8中所示的底面就不能观察到干涉条纹，该区域将使得相位提取和展开算法不能正确执行。因此可依据干涉条纹所出现的边缘对干涉图像进行边缘特征提取，将边缘所包含，且无干涉条纹的区域作为形貌突变区域，并将该区域每一像素的灰度值赋为0，该区域不参与相位提取和展开计算，即实现形貌突变区域的隔离，那么可得到除了高度突变区域的表面三维形貌。当所重构的区域表面三维形貌能够进行运动平面结构的轮廓提取时，通过以上步骤就完全能够得到MEMS结构的三维运动特性。然而，当所重构的区域表面三维形貌不足以进行运动平面结构的轮廓提取时，如图8所示，由于底面没有干涉条纹，就不能得到谐振器中运动部件相对底面的高度，三维图像序列不能得到运动部件相对底面的横截面，即不能提取出平面运动结构的轮廓线。即使如此，可以直接从干涉条纹的在整个图像的分布情况对高度突变的特征提取出相应的表面轮廓线。如图10所示为MEMS谐振器在运动相位120°下零相移的干涉图像，与图8和图9相比，可从图10中所示间距的变化分辨出平面运动的存在，但是由于中间结构相对边缘的高度差较大，因此只能先直接对干涉图像进行结构的边缘提取，然后通过比较其他运动相位的干涉图像来检测边缘的移动位置，此时由于干涉条纹的存在，边缘计算的误差较大。在这种情况下，从干涉条纹直接提取出的表面轮廓线同样可用于建立测量相对坐标系，如图10中所表示的两条轮廓线，得到所选定的测量点在每幅图像中所处的相对位置，比较局部重构三维图像序列中测量点所对应各相对位置像素的高度信息，得到结构的离面(垂直方向)运动位移。

下面解释利用平面轮廓特征建立测量相对坐标系，实现选定测量点的跟踪，最终完成离面运动测量。在依据三维图像序列高度的变化来进行垂直方向运动测量时，即使被测的结构在设计时只有垂直方向的运动，但是由于x、y、z三个坐标方向运动的相互耦合，实际情况下被测结构的测量点在垂直方向运动时，或多或少都在xy平面上存在一定的耦合运动。而且在大多数情况下，被测结构一般在x、y、z三个坐标方向都存在较大幅度的运动，如图8、图9和图10所示就是被测结构在xy平面的运动幅度达到几微米，z方向存在几十纳米的耦合运动。在以上情况下，如果不考虑平面运动的存在，那么垂直方向运动测量是对三维图像上与图像边缘位置固定点的灰度值，由于图像边缘位置固定点不能对应到实际测量点，这样就不能正确得到所选择测量点在垂直方向的真实运动特性。

为了解决这一问题，本发明在前面所述的三维图像序列的平面边缘特征提取和干涉图像中形貌突变区域的隔离结果的基础上，依据所提取的边缘建立测量点跟踪的参考坐标系，对初始选择的测量点先计算出与边缘构成参考坐标系的相对位置，然后在对三维图像序列进行垂直运动特性的空间域提取时，评价点都是选择与参考坐标系的相对位置固定的测量点，这样就保证了测量点的跟踪。

实施例3：

由于发光二极管LED所发出光的相干长度小，为了扩大测量范围，提高测量的适应范围，本发明提出的基于显微干涉技术的MEMS动态测试装置可完成多波长和自光的干涉测量。

为了实现以上所述目标，在装置中包括两个部分：驱动信号切换开关和发光二极管LED阵列。在以上硬件部分的支持下，各种波长的LED(包括白光LED)的发光状态可通过驱动信号切换开关灵活控制，而且光源部分在切换时不存在机械移动部件，保证了反复光源切换的位置一致性，实现了更高的测量重复性。在图12所示的LED阵列中，红色、绿色、黄色和白色的LED各三个，通过一定的位置排布保证光学显微镜视场内照明的均匀性，通过驱动信号切换开关可分别将不同颜色的LED点亮，实现多波长的干涉和白光干涉。

为了进一步提高光学显微镜视场的照明的均匀性，每个LED所发出的光在进入照明光路中都进行了各自的准直处理。LED所发出的光为发散的，考虑到LED的尺寸较小和阵列的具体排布，对每个LED都采用单独简单的准直处理，即采用球面反射镜，LED的发光点调整到球面的中心点。

Claims (4)

1、一种基于显微干涉技术的微机电系统的测试装置，该装置包括三维微动测试台、光学显微镜、Mirau干涉显微镜、相移控制器、频闪照明装置、驱动信号切换开关、光源、MEMS结构运动激励驱动装置、CCD摄像机、图像采集卡、数据处理和控制计算机，其特征在于：光源为多波长光源，采用由白、红、黄、绿发光二极管组成的阵列，并且每个子光源均设有独立的准直器；Mirau干涉显微镜与相移控制器集成一体实现显微干涉测量。

2、按权利要求1所述的基于显微干涉技术的微机电系统的测试装置，其特征在于：作为光源的发光二极管阵列包括十二只发光二极管，第1行和第4行分别为2只，第2行和第3行分别为4只，其中白、红、黄、绿色各为三只，每一种颜色的发光二极管按照等边三角形布置，四个等边三角形以相互交叉的方式均匀布置。

3、按权利要求1所述的基于显微干涉技术的微机电系统的测试装置，其特征在于：显微干涉部分，包括Mirau干涉显微镜和相移控制器。

4、一种采用按权利要求1所述的基于显微干涉技术的微机电系统的测试装置进行微机电系统测试的方法，其过程包括频闪与驱动信号的同步控制、Mirau干涉显微镜的相移控制、不同相移下干涉图像的采集、干涉图像中形貌突变区域的隔离、对不同相移下干涉图像的相移和相位展开计算得到三维表面形貌图、三维表面形貌图的倾斜修正、三维表面形貌图的归一化分析、测量点的跟踪，其特征在于：

在对静止MEMS结构进行几何参数测量时：

(1)将照明装置设置为连续照明方式，对MEMS器件进行照明；将被测的MEMS器件固定在三维微动测试台；

(2)利用标准PAL制CCD摄像机，获得MEMS的被测结构静止状态的干涉图像；调整相移控制器的输出，使得产生等间距的5个呈台阶变化的相移，在每一相移台阶采集当时的干涉图像，共5幅干涉图像；

(3)依据干涉条纹所出现的边缘对干涉图像进行边缘特征提取，将边缘所包含，且无干涉条纹的区域作为形貌突变区域，并将该区域每一像素的灰度值赋为0，以实现形貌突变区域的隔离；

(4)利用5步Hariharan相移算法对上述处理得到的5幅干涉图像进行综合分析，得到反映三维形貌的1幅相位图；利用最小二乘相位展开算法分析该相位图，得到包含表面形貌信息的三维图像；

(5)对三维形貌图进行倾斜修正，先以整幅图像或图像中人为选择的局部区域计算出它们的最小二乘平面，并以该最小二乘平面的斜率对整幅图像进行倾斜修正；

(6)对三维图像进行归一化评价，实现几何参数测量；归一化评价几何参数准则是：两个平面的平行度为两表面的最小二乘平面的平行度；立面的垂直度是以它的底面和该立面的最小二乘平面的夹角来进行评价的；平面结构的轮廓线是对各横截面利用曲线拟合技术得到亚像元精度的边缘点的连线；轮廓线的包络中心线是评价平面结构的尺寸、平行度和垂直度的测量线；

在对运动MEMS结构进行运动特性测试时：

(1)将被测的MEMS器件固定在三维微动测试台，并将MEMS器件中运动结构的激励输入端与三维微动测试台的电极引脚相连；将照明装置设置为频闪照明方式，对MEMS器件进行频闪照明，频闪信号的周期与运动激励信号的周期相同，且保持固定的延迟时间，因此MEMS结构的周期运动在频闪照明下基本属于“冻结”状态；

(2)设置同一相位频闪的次数，使标准PAL制CCD摄像机进行多次曝光，进行曝光的积分效应，获得MEMS的被测结构静止状态的干涉图像，调整相移控制器的输出，使得产生等间距的5个呈台阶变化的相移，在每一相移台阶采集当时的干涉图像，共5幅干涉图像，通过干涉图像中形貌突变区域的隔离，并进行5步Hariharan相移算法和最小二乘相位展开算法的计算，可得到MEMS被测结构的在上述运动周期所对应的固定时刻下，即周期运动相位的表面形貌的三维图像；

(3)调整频闪信号与运动激励信号的延迟时间，即调整所“冻结”的周期运动相位，重复步骤(2)，即可得到MEMS被测结构在不同周期运动相位的表面形貌的三维图像；延迟时间与一个运动周期中所采集三维图像的数量相对应，通过不断调整延迟时间，可得到反映MEMS结构运动特性的三维图像序列；

(4)通过结合干涉图像中形貌突变区域的隔离结果，对不同周期运动相位下表面形貌的三维图像序列进行空间域分析和评价，可得到一定驱动频率下MEMS结构的三维周期运动状况；其评价准则为：当图像中形貌突变区域不影响运动结构三维图像的重构时，依据运动结构的三维图像提取出结构平面特征轮廓线，通过图像匹配确定该轮廓线在整幅图像中的相对位置，从而得到结构的平面运动位移，同时依据结构平面特征轮廓线建立相对测量坐标系，得到所选定的测量点在每幅图像中所处的相对位置，比较三维图像序列中测量点所对应各相对位置像素的高度信息，得到结构的离面运动位移；当图像中形貌突变区域使得运动结构三维图像不能完全重构时，依据干涉图像中形貌突变区域的隔离结果提取出结构平面特征轮廓线，通过图像匹配确定该轮廓线在整幅图像中的相对位置，从而得到结构的平面运动位移，同时依据结构平面特征轮廓线建立相对测量坐标系，得到所选定的测量点在每幅图像中所处的相对位置，比较所重构的局部三维图像序列中测量点所对应各相对位置像素的高度信息，得到结构的离面运动位移；

(5)以一定的步距调整驱动信号的频率，使得MEMS结构以不同的频率进行运动，重复步骤(2)(3)和(4)，可得到结构在一系列驱动频率下的三维运动的详细特征，通过综合分析不仅可得到结构的谐振频率和品质因数，还可得到结构的三维运动状态全过程。

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