CN1312459C - 一种具有环境加载功能的微机电系统动态特性测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有环境加载功能的微机电系统动态特性测量装置，在调整平台上设置有环境加载装置，其结构为：压电陶瓷可调节式安装于支架内，支承板固定在支架上；加热板固定在支承板上，支架固定在真空腔体上，真空腔体上设置有透光片；被测器件位于环境加载装置上。本发明采用光路转折、聚焦透镜平移使得测量装置结构紧凑，便于调整；利用环境加载装置对振动、温度、和压力进行精确控制，使得测量装置能测量不同环境条件下的微机电系统动态特性。测量装置所采用的微视觉、相移干涉、频闪照明和环境加载可以完成不同环境条件下的微机电系统器件或圆片的三维高分辨率测量、静动态参数提取。

Description

一种具有环境加载功能的微机电系统动态特性测量装置

技术领域

本发明属于显微干涉计量仪器技术，适用于不同环境条件下微机电系统几何尺寸、形貌、面内运动、离面运动和模态参数等的非接触、高分辨率静动态测量。

背景技术

微机电系统(Micro Electro Mechanical System-MEMS)是由特征尺寸在亚微米至毫米范围内的电子和机械元件组成的微器件或微系统，它将传感、处理与执行融为一体，以提供一种或多种特定功能。由此可以看出MEMS不但包括电路，而且还包括特征尺寸在亚微米到1毫米微机械部件。MEMS的主要工艺有表面加工工艺、体加工工艺(包括LIGA工艺)以及微机械加工工艺，而且所用材料的范围也不断扩展，如碳化硅、氮化硅。据NEXUS预测2005年MEMS产品将有680亿美元的市场。很多MEMS器件已经市场化，如TI公司的数字微镜、ADI公司的加速度计等。

微机械的尺度一般在毫米以下量级，多数为微米量级，而这种尺度材料的许多物理现象和力学行为与宏观法则有很大差异。MEMS材料和器件的特性对采用的加工工艺敏感，而材料在微尺度下的物理量测量以及微尺度力学分析在微器件设计中至关重要。故MEMS开发过程中的每一个环节都需要进行测量，监控其工艺的一致性，而开发市场化的可靠的产品更是如此。从目前来看，在MEMS加工过程中，在线测试缺乏专用和自动化的测试设备与系统，已成为MEMS发展的一个瓶颈。

在精确解不存在或者很难获得，且其它数值方法不能解决的复杂三维结构响应分析，有限元法提供了唯一方法。尽管应用有限元法可以较好的解决静、动载荷下物体位移或变形分析，但是有限元法所获的结果强烈依赖于边界条件、材料特性的准确理解、结构几何尺寸的准确表示，并且对于单元的形状和尺寸非常敏感。而进行有限元分析的所有信息都直接或间接来自于实验研究。测得的MEMS材料及器件的数据对于MEMS的设计、优化提供依据。

模态参数是对物理参数的一种变换，故模态参数决定该器件的动态响应特性，因而测量微器件的模态参数显得尤为重要。

所有这些都促进了对测量仪器的需求，尤其是对具有非接触、高分辨率、快速的测量仪器的需求。

MEMS动态特性测试存在以下问题：1、MEMS器件共振响应的最大振幅从微米级到纳米级不等，其运动速度往往很大，因而要求MEMS动态测试技术及设备达到纳米级的位置测量精度；2、MEMS器件的共振响应频率非常高，可达数万、数十万、甚至上兆赫兹，因而要求MEMS动态测试设备也具有这样高的频率响应特性，应具备捕获MEMS超高频超高速运动细节的能力；3、MEMS器件本身的尺寸非常小，常规接触测量方法无法胜任，因而要求采用基于光学的非接触无损测量。且能进行静态动态的面内与离面全场测量；4、MEMS器件本身的尺寸非常微小，要求测量分辨率高，应达到纳米级。

目前可达纳米级精度的测量方法有：扫描隧道显微镜(ScanningTunneling Microscope，STM)和原子力显微镜(Atomic Force Microscope，AFM)、机械和光探针法、扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope，SEM)，电子散斑干涉(Electronic Speckle Pattern Interferometery，ESPI)、数字全息干涉(Digital Holographic Interferometry，DHI)、白光扫描干涉(White Light Scanning Interferomtry，WLSI)、莫尔干涉(Moirre Interferometry)、激光多普勒测振仪(Laser DopplerVibrometer，LDV)和扫描多普勒振动仪(Scanning Laser DopplerVibrometer，SLDV)以及微视觉(Micro Vison)方法等。

扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)的发明解决了原子级尺度的测量问题，但由于这些测量只能在静态环境下进行，因而只能获取MEMS和其它微结构的静态几何尺寸和表面形貌等参数，而无法胜任MEMS在高频高速运动下的动力学特性测试，且存在夹持困难、测试环境条件不易控制以及对器件的破坏性等问题。机械探针和光探针法也可实现高精度的测量，但是机械探针容易对MEMS器件表面造成破坏，且二者也只能进行静态单点测量。

扫描电子显微镜(SEM)是利用二次电子成像，测量时需要将器件放入真空腔体内，故造成了测量速度慢且不适合进行动态测量。

电子散斑干涉、数字全息干涉、白光扫描干涉、莫尔干涉可以实现全场测量，但是存在不同程度的缺陷。如电子散斑干涉和数字全息干涉可以进行全场动态测量，但其对被测器件的表面反射率有一定的要求。白光扫描干涉的优点是进行全场、宽离面测量范围，但是需要被测器件进行垂向离面运动，故不适合进行动态测量。而莫尔干涉则需要制作光栅，或者将光栅投影到被测器件，或者是将其投影到被测器件上。

激光多普勒振动仪(LDV)是一类应用最广的非接触式无损测量设备，目前已具备纳米级的测量精度，在宏观结构和微型结构的动态测量方面都获得了广泛应用。在大多数情况下，LDV一次只能测量被测结构表面单个点的运动情况，通过实时测量该点位移随时间的变化曲线，可以很容易获得被测结构在该点处的动力学特性(如频率响应函数)。但是激光多普勒振动仪在对器件进行整体测量时需要进行逐点扫描，当需要扫描点数较多时非常耗时、且扫描的同时也降低了测量精度。

微视觉是另一类应用很广的非接触式无损测量技术。随着现代图像处理和视觉伺服等技术的不断发展，微视觉已在很多领域获得了成功应用，如微机器人、微操作、微加工、微装配和微检测等。微视觉系统由显微光学成像系统、光学照明系统、CCD传感器、图像捕捉卡、计算机及图像处理软件等组成。通过高倍率光学放大和高分辨率CCD传感器，微视觉可以实现很高精度的平面乃至三维几何尺寸测量，达亚微米甚至纳米级精度；通过分析不同时刻多幅图像之间的关系，如光流分析、归一化灰度相关分析，可以实现高精度的几何位置变化测量，即平面内运动或三维运动测量。而且随着亚像素边缘检测技术的发展该方法的测量精度也得到了很大提高，一般可以达到1/10像素以上的精度。常规微视觉系统的一个重大缺陷是其视频采样速率不高，普通的CCD相机为每秒25帧(PAL制)或每秒30帧(NTSC制)，显然无法胜任MEMS高达数万、数十万、甚至上兆赫兹的高频振动响应的运动细节测量。另外，微视觉系统主要擅长于测量被测物体(一般为刚体)在平面内的运动，尽管它也可以用于垂直于成像平面的垂向运动测量，但需要采用多视觉和景深处理等复杂技术，而且其测量精度比平面内运动测量精度低很多。若采用高速CMOS摄像机将造成测量系统成本的急剧上升。

为了利用微视觉系统实现MEMS或其它微结构的超高频超高速运动测量，一种可行而有效的方法是将频闪观测法与之相配合，构成频闪微视觉测量系统。频闪观测是一种基于频闪效应原理的高速运动观测技术：对高速且具周期性运动的物体，如果用一持续时间极短的脉冲频闪光去照射它，并使频闪光的闪光频率等于物体运动的变化频率，则当每次闪光时，物体运动总是到达同一位置，人眼观察或微视觉系统拍摄的就仿佛是一幅“冻结”不变的静止图像。利用这一原理，频闪微视觉系统不但可以测出高速周期性运动的频率；而且可以记录下该运动周期内任一时刻的运动细节，其方法是保证频闪光的闪光频率与物体运动频率相等，并逐渐调整频闪光脉冲相对于物体运动的相对延时，则可以获得一系列“冻结”不变的静止图像，每一图像对应物体运动周期内的某一相对时刻。因此，频闪微视觉系统获取运动图像的时间分辨率不再由CCD相机的帧采样率所决定，而是取决于频闪光进行同步闪光时所能调整的最小延时增量。频闪微视觉系统的一个局限性是它不能测量随机运动，而只能测量周期性平稳过程或周期性瞬态过程，但在MEMS动力学测试分析中，可以通过设计将激励信号选为周期性信号(如谐波信号或周期性方波信号)，则被测物体也做周期性运动，频闪微视觉系统就可以测量该激励周期内每一时刻的运动细节，从而不受上述局限性的限制。但频闪微视觉系统与常规微视觉系统一样，只能获得高精度的平面内运动测量，仍然难以获得同样精度的平面垂向运动测量。

为了利用微视觉系统实现平面垂向运动的高精度测量，一种有效的方法是将频闪观测与干涉测量技术相结合，构成频闪干涉视觉测量系统。利用相移干涉(Phase Shifting Interferometry，PSI)获得纳米级的垂向测量分辨率。双光路相移法原理是：通过控制参考镜的位移使参考光路和测量光路之间产生固定间隔的相位差，进而改变光程差，从而获得多幅干涉条纹图。对所获得的多幅条纹图进行相位去包裹，可以恢复器件表面面的离面形貌图。干涉仪采用连续照明光源，则如前所述，由于CCD视频采样速率不高而无法胜任MEMS的超高频运动测量。改进方法是采用脉冲光进行频闪照明，即保证频闪光的闪光频率与物体运动频率相等，则即使物体在其运动周期内做超高频高速运动，但视觉系统拍摄的总是一“冻结”不变的干涉图案，每一图案对应该运动周期内的某一相对时刻。采用上述移相技术，在物体运动周期内某一时刻可获得不同移相的一组干涉图案集，对应该时刻的一幅平面高度形貌图。通过调整频闪光脉冲与物体运动周期的相对延时，将获得该物体运动周期内不同时刻的多组干涉图案集。对这些干涉图案进行组间和组内的动态相位去包裹，可估计出被测MEMS表面随时间变化的垂向运动变化图，实现MEMS器件的全三维可视化动态测量。

以上的测试系统不具备环境加载功能，只能测量常温常压下的MEMS动态特性。然而，MEMS需在低温高温、低压高压、低湿高湿等不同环境条件下工作，从而研制具有环境加载功能的MEMS动态测试装置，测量MEMS在不同振动、不同温度、不同压力等环境条件下的动态特性具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于针对微机电系统器件测试面临的挑战和现有测试仪器的特点，提供一种具有环境加载功能的微机电系统动态特性测量装置，该装置对振动、温度、压力等环境条件进行精确控制，实现不同环境条件下的MEMS三维静动态特性测试。

本发明提供的一种具有环境加载功能的微机电系统动态特性测量装置，该装置中的相移控制器、图像采集模块、延时控制模块和信号发生模块分别通过第一、第二控制接口与计算机相连；计算机控制信号发生模块产生脉冲信号，经延时控制模块延时后传送给光源系统，使其发出频闪光；信号发生模块同时为被测器件提供驱动信号；延时控制模块实现频闪脉冲信号和被测器件驱动信号的相对延时；相移控制器控制相移器带动参考平面镜移动，调节光程差，实现干涉图相位的变化；计算机控制图像采集模块采集成像装置上的图像；其特征在于：该装置还包括调整平台和干涉视觉两用光路模块，在调整平台上设置有环境加载装置，其结构为：压电陶瓷可调节式安装于支架内，支承板固定在支架上；加热板固定在支承板上，支架固定在真空腔体上，真空腔体上设置有透光片；干涉视觉两用光路模块用于实现干涉、视觉二种工作模式及其二者之间的转换；它接受光源系统提供的偏振平行光，将其分为相互垂直的两束线偏振光，其中一束传送给被测器件，另一束经过遮光闸传送给参考平面镜，并接受被测器件和参考平面镜的二束反射光，再传送给成像装置，二束反射光在成像装置焦平面上产生干涉，形成明暗相间的干涉条纹，实现干涉工作模式；当遮光闸挡住入射到参考平面镜的光束时，成像装置上所成的像是被测器件的视觉图像，实现视觉工作模式。

上述干涉视觉两用光路模块的结构为：光源系统发出的偏振平行光经聚焦透镜焦距，经转折镜将光轴旋转90度后，经偏振分光棱镜分为相互垂直的两束线偏振光：参考光和测量光；参考光聚焦于第二显微物镜后变为平行光，射向参考平面镜，偏振分光棱镜与参考平面镜之间设置有第二1/4波片；参考光的反射光经原路返回至偏振分光棱镜，沿垂直方向依次经过成像透镜和检偏器射向成像装置，成像装置位于成像透镜的后焦平面；测量光聚焦于第一显微物镜后变为平行光，射向被测器件，偏振分光棱镜与被测器件之间设置有第一1/4波片；测量光的反射光经原路返回至偏振分光棱镜，再依次经过成像透镜和检偏器射向成像装置；测量光和参考光的反射光在成像装置焦平面上产生干涉，形成明暗相间的干涉条纹，使测量装置在干涉模式下工作；遮光闸位于第二显微物镜与参考平面镜之间，用于遮住射入参考平面镜的光线，使测量装置在视觉模式下工作。

本发明将微视觉、相移干涉、频闪观测和环境加载等技术相结合，实现了微器件在不同环境条件下的三维静动态参数测量。在视觉模式下完成微器件面内参数测量，在干涉模式下完成离面参数测量。当采用频闪照明，并使频闪光源驱动信号相对于微器件驱动信号或其激振器驱动信号进行多点精确延时，视觉模式可完成面内动态参数测量，干涉模式则可完成离面动态参数测量，并且通过环境加载装置，使被测微器件处于不同振动、温度和压力条件下，研究其在不同环境条件下的三维静动态特性。在进行离面动态参数提取时首先应根据面内位移数据对原始干涉条纹图进行面内两个方向的平移，这样保证了所测量的离面运动参数为微器件上同一点的参数。

本发明结构紧凑，调整方便。在照明光路中采用转折镜使光轴旋转90度使得显微干涉装置结构紧凑。采用聚焦透镜沿光轴移动的方案使整个光路在更换显微物镜后调整方便。总之，本发明具有环境加载功能，能够对振动、温度、压力等环境条件进行精确控制，实现了不同环境条件下的MEMS三维静动态特性测试。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图；

图2为本发明装置的光路图；

图3为不同相位干涉条纹图，其中，图3.1为α＝0，图3.2为α＝π/2，图3.3为α＝π，图3.4为α＝3π/2，图3.5为α＝2π；

图4为同步时序图；

图5为环境加载装置正视剖面图；

图6为环境加载装置左视剖面图。

具体实施方式

如图1所示，本发明装置主要包括：计算机1、相移控制器3、图像采集模块4、成像装置5、相移器6、延时控制模块8、光源系统9、干涉视觉两用光路模块10、遮光闸11、参考平面镜12、信号发生模块13、环境加载装置15和调整平台16。相移控制器3、图像采集模块4、延时控制模块8和信号发生模块13分别通过第一、第二控制接口2、7与计算机相连。在计算机1的控制下，信号发生模块13产生脉冲信号，经延时控制模块8延时后传送给光源系统9，使其发出频闪光。信号发生模块13同时为被测器件14提供驱动信号。延时控制模块8实现频闪脉冲信号和被测器件14驱动信号的相对延时。相移控制器3控制相移器6带动参考平面镜12移动，调节光程差，实现干涉图相位的变化。计算机1控制图像采集模块4采集成像装置5上的图像。整个测量装置搭建在隔振台上以减少外部环境振动对测试结果的影响。

测量装置有视觉和干涉两种工作模式，遮光闸用于遮住射入参考平面镜12的光线，图1所示的测量装置工作在视觉模式下。通过驱动信号使被测器件14产生周期性运动，同时，通过脉冲信号使光源系统9发出频闪光，利用频闪成像效应，使频闪光的闪光频率与被测器件14驱动信号的频率相等，则使被测器件14做超高频高速运动，但成像装置拍摄的总是一“冻结”不变的图像。通过调整频闪脉冲信号与被测器件14驱动信号的相对延时，可获得该驱动周期内不同时刻的多幅视觉图。因此，不需高速摄像机，普通摄像机就能完成高频高速运动物体的图像采集任务。对视觉图像进行处理可得到被测器件的几何尺寸和平面内运动情况。

光线通过遮光闸11，则图1所示测量装置的工作模式为干涉模式。利用相移干涉技术，即让参考平面镜12产生Nλ/8(λ为频闪光波长，N＝0，1，2，3，4)的微小位移，可获得不同移相的一组(5幅)干涉图像集；当被测器件14在驱动信号下产生周期性运动时，通过脉冲信号使光源系统9发出同周期的频闪光，通过调整频闪脉冲信号与被测器件14驱动信号的相对延时，每次延时后采用五步相移干涉法采集一组干涉图，这样，可获得该驱动信号激励周期内不同时刻的多组干涉图像集。对干涉条纹图进行处理可得出被测器件14的表面静态形貌、垂向变形和离面运动情况。

干涉视觉两用光路模块10用于实现干涉、视觉二种工作模式及其二者之间的转换。它主要包括聚焦透镜17、转折镜18、偏振分光棱镜19、第一1/4波片20、第一显微物镜21、第二1/4波片22、第二显微物镜23、成像透镜24、检偏器25。

如图2所示，光源系统9提供光强和偏振方向可调的偏振平行光，偏振平行光经聚焦透镜17焦距，经转折镜18将光轴旋转90度后，经偏振分光棱镜19分为相互垂直的两束线偏振光：参考光和测量光。参考光经第二1/4波片22后聚焦于第二显微物镜23，并使之变为平行光射向参考平面镜12。其反射光经原路返回至偏振分光棱镜19，沿垂直方向依次经过成像透镜24和检偏器25射向成像装置5。测量光经第一1/4波片20后聚焦于第一显微物镜21，并使之变为平行光射向被测器件14。其反射光经原路返回至偏振分光棱镜19，再依次经过成像透镜24和检偏器25射向成像装置5。测量光和参考光的反射光在成像装置5焦平面上产生干涉，形成明暗相间的干涉条纹。

第一1/4波片20和第二1/4波片22使参考平面镜12和被测器件14的反射光都入射到成像装置5上。当遮光闸11挡住入射到参考平面镜12的光束时，成像装置5上所成的像是被测器件14的视觉图像。通过光源系统9改变偏振光在偏振分光棱镜19中的分光比，补偿参考平面镜12与被测器件14的反射性能差异，获得高对比度的干涉图，通过光源系统9调整偏振光的光强，以便成像装置5采集到的干涉图案亮度适中。通过选用不同焦距的第一显微物镜21和第二显微物镜23，可改变测量装置的分辨率、放大倍数、景深及视场大小。

第一1/4波片20可以与第一显微物镜21位置互换，第二1/4波片22也可以与第二显微物镜23交换位置。

本装置的所有器件均安装一固定板之上，固定板与升降立柱相连接，从而可以进行显微干涉系统的调焦，使微器件在成像装置5上成清晰的图像和干涉条纹图。调整平台16具有多个自由度便于被测器件的调整。其中第一1/4波片20，第二1/4波片22，检偏器25可以绕其轴线旋转，聚焦透镜17可以沿光轴方向移动。

在更换显微物镜时，沿光轴移动聚焦透镜17可以避免两个显微物镜移动造成的调整机构的复杂。聚焦透镜17的移动范围由第一显微物镜21的后焦点位置的变化范围决定。移动聚焦透镜17可以通过小型移动平台或者螺旋调节杆均可。

转折镜18可以为平面镜或者直角棱镜，但应保证其将光轴旋转90度。可以通过两维平面调整机构，如透镜调节架，调整光轴的相对于偏振分光棱镜的入射角度。同时转折镜18可以具有一个垂向移动的自由度，但是这个垂向的移动范围较小。这样可以避免后续光路调整带来的不便，如不需调整偏振分光棱镜19的垂向位置。

被测器件14和参考平面镜12分别位于第一显微物镜21和第二显微物镜23的前焦点处，这样被测器件14和参考平面镜12的反射光经过第一显微物镜21和第二显微物镜23后为平行光，反射光经成像透镜24和检偏器25后在成像装置5可以形成清晰的干涉条纹图。成像透镜24的作用是使平行光可以在成像装置5上成像。

成像装置5应位于成像透镜24的后焦平面的位置。成像装置5可以是CCD摄像机、CMOS摄像机，胶片等。在安装固定时成像透镜可以和偏振分光棱镜固定在一起以减小平行光路的长度。若采用放缩透镜组代替成像透镜则可在成像装置5上获得放大倍数可调的图像和干涉条纹。

此测量装置有两种工作模式：当遮光闸11挡住入射到参考平面镜12的光线时系统为视觉模式，在此模式下此装置只采集视觉图像；当将遮光闸11移出光路时系统为干涉模式，在此模式下此装置采集干涉条纹图。与频闪照明相结合系统可以完成微小器件的动态特性测量。故此装置可以完成静态视觉测量、静态干涉测量、动态视觉测量和动态干涉测量。

进行静态视觉测量时，遮光闸11挡住入射到参考平面镜12的光束，这样成像装置5便可采集到微器件的视觉图像，对视觉图像进行边缘提取等处理便可获得微器件的几何参数(如几何尺寸)。进行静态干涉测量时采用相移干涉法可以获得高分辨率的形貌参数，在此测量模式下由相移器6带动参考平面镜12沿光轴进行移动，则即使在微器件静止时也可以在成像装置5上获得不同的干涉条纹图，干涉条纹图的数量由所采用的相移算法决定。由于压电陶瓷可以产生纳米级分辨率的位移，故可以选用其为相移控制器，在满足分辨率的条件下可以为闭环控制器也可为开环控制器。

采用此种类型的干涉结构较Michelson干涉仪、Mirau干涉仪有更高的横向分辨率。采用偏振光干涉可以减小各表面反射光对光源的影响，通过旋转第一1/2波片和第二1/2波片可以提高条纹图的对比度。

如图3所示为采用五步相移法获得的五幅干涉条纹图。由干涉条纹图可以直接计算出包裹相位图(其值在-π到π之间)，即包裹相位值存在2π跳变，对包裹相位图进行静态去包裹可以消除2π跳变获得连续的相位值(即真实相位值)，利用真实相位值可以计算微器件的形貌参数。

在进行动态视觉测量时，遮光闸11依然挡住入射到参考平面镜12的光束，但此时采用与微器件或其激振器同频率的频闪光源进行器件的照明。频闪照明如图4所示，为了获得图2所示被测器件14一个运动周期内各个不同相位点的面内运动与离面运动，进而提取其模态参数，需要将被测器件14的驱动信号或者激振此器件的激振器的驱动信号与脉冲光源同步，图4中正弦信号为被测器件14的驱动信号，以下三个脉冲序列用于测量三个不同相位点，由此需要进行相对延时t1，t2，…。测量多点时需进行所需点数的延时。脉冲宽度和幅度、延时量均可调整使之满足测量要求。获得一个周期内不同相位点的图像和干涉条纹图即可进行面内运动和离面运动估计。采用频闪照明在每个相位点采集到的图像相当于静止图像。这样在成像装置5上得到的将是运动不同相位点的器件图像。从初始相位点处的视觉图像中提取一个具有明显特征的较小矩形图像作为模板，运用图像处理中的模板匹配和插值算法便可以计算出微器件在不同相位点处的面内位移值，从而可以获得面内运动参数。进行动态干涉测量时，遮光闸11将移出光路，在成像装置5上可以获得干涉条纹。进行动态干涉测量时可以采用两种方式测量。一种是对每一个相位点都进行相移，即每个相位点都进行多步相移。另一种是先获取所有被测相位点的第一步相移干涉图(注：第一步相移值为零)，然后进行相移获得所有相位点的第二步相移干涉图。采集到所需的所有相移干涉图后即可按静态干涉测量的处理过程获得各个相位点的微器件表面形貌参数，进而获取离面运动参数。离面运动的测量相位点数应与面内运动测量的相位点数相同，并且在进行离面运动参数提取之前应根据动态视觉获得的面内运动参数对相应相位点的干涉图进行面内移动，从而保证获得的是同一点离面运动参数。

为了测量不同环境条件下的MEMS动态特性，测量装置通过环境加载装置15对振动、温度、压力等进行精确控制。环境加载装置结构图如图5和图6所示。在进行MEMS圆片或器件的动态测试时，将其装夹在环境加载装置的加热板上。MEMS圆片或器件的加载过程包括加压、加振动和加热。MEMS器件或圆片的振动可以通过改变加在压电陶瓷上的驱动电压来实现，驱动电压的频率和幅值可根据实际的动态测试要求来设置，并可以通过控制加在加热板上的电压的大小实现对被测器件的加热，以精确满足被测器件的温度要求。真空腔体32和透光片40能够为动态测试的MEMS圆片或器件提供一个密闭的环境。将压电陶瓷(PZT)35安放在支架36内，通过调节螺钉34调节压电陶瓷35在支架36内的高度。支承板44通过螺钉43固定在支架36上。加热板42通过螺栓50固定在支承板44上。支架36通过螺栓33固定在真空腔体32上。将被测器件14放在加热板42上，用圆片压条45压住，圆片压条45用螺栓46固定在加热板42上。透光片40放在真空腔体32的开口端面的密封圈38上，并通过密封圈39与法兰47相连，法兰47通过螺栓48和螺母49与真空腔体32的开口端面相固定。真空腔体内的压电陶瓷35及加热板42等的电线均通过电极52与外部电源线相连。在加载装置装配完毕之后，真空泵(图中未显示)通过抽真空口51可把真空腔体32内的环境抽成所要求的真空。如果需要氮气环境，还可以将高压氮气经过充气阀(图中末显示)调节，按预定的氮气压力经充气口37注入真空腔体32内，从而实现不同的真空环境；通过加热板42就可以给被测器件14加热，通过计算机可控制加热电压，其温度可调可控，加载温度在120～150℃之间，从而实现温度加载；通过计算机同时也可控制压电陶瓷35的驱动电源的电压大小和频率的变化，从而实现被测器件14的振动加载。其振动的最高频率可以达到10KHz以上，被测器件14的平面垂向上的最大振幅可达10um。动态测试时，频闪激光以相对于振动驱动电源的精确时延通过透光片40照射在被测器件14上，并与被测器件14的振动准确同步。

Claims (2)

1、一种具有环境加载功能的微机电系统动态特性测量装置，该装置中的相移控制器、图像采集模块、延时控制模块和信号发生模块分别通过第一、第二控制接口与计算机相连；计算机控制信号发生模块产生脉冲信号，经延时控制模块延时后传送给光源系统，使其发出频闪光；信号发生模块同时为被测器件提供驱动信号；延时控制模块实现频闪脉冲信号和被测器件驱动信号的相对延时；相移控制器控制相移器带动参考平面镜移动，调节光程差，实现干涉图相位的变化；计算机控制成像采集模块采集成像装置上的图像；其特征在于：该装置还包括调整平台(16)和干涉视觉两用光路模块(10)；

在调整平台(16)上设置有环境加载装置(15)，其结构为：压电陶瓷(35)可调节式安装于支架(36)内，支承板(44)固定在支架(36)上；加热板(42)固定在支承板(44)上，支架(36)固定在真空腔体(32)上，真空腔体(32)上设置有透光片(40)；

干涉视觉两用光路模块(10)用于实现干涉、视觉二种工作模式及其二者之间的转换；它接受光源系统(9)提供的偏振平行光，将其分为相互垂直的两束线偏振光，其中一束传送给被测器件(14)，另一束经过遮光闸(11)传送给参考平面镜(12)，并接受被测器件(14)和参考平面镜(12)的二束反射光，再传送给成像装置(5)，二束反射光在成像装置(5)焦平面上产生干涉，形成明暗相间的干涉条纹，实现干涉工作模式；当遮光闸(11)挡住入射到参考平面镜(12)的光束时，成像装置(5)上所成的像是被测器件(14)的视觉图像，实现视觉工作模式。

2、根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述干涉视觉两用光路模块(10)的结构为：

光源系统(9)发出的偏振平行光经聚焦透镜(17)焦距，经转折镜(18)将光轴旋转90度后，经偏振分光棱镜(19)分为相互垂直的两束线偏振光：参考光和测量光；参考光聚焦于第二显微物镜(23)后变为平行光，射向参考平面镜(12)，偏振分光棱镜(19)与参考平面镜(12)之间设置有第二1/4波片(22)；参考光的反射光经原路返回至偏振分光棱镜(19)，沿垂直方向依次经过成像透镜(24)和检偏器(25)射向成像装置(5)，成像装置(5)位于成像透镜(24)的后焦平面；测量光聚焦于第一显微物镜(21)后变为平行光，射向被测器件(14)，偏振分光棱镜(19)与被测器件(14)之间设置有第一1/4波片(20)；测量光的反射光经原路返回至偏振分光棱镜(19)，再依次经过成像透镜(24)和检偏器(25)射向成像装置(5)；测量光和参考光的反射光在成像装置(5)焦平面上产生干涉，形成明暗相间的干涉条纹，使测量装置在干涉模式下工作；

遮光闸(11)位于第二显微物镜(23)与参考平面镜(12)之间，用于遮住射入参考平面镜(12)的光线，使测量装置在视觉模式下工作。

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