CN1710388A - 微机电系统动态特性与可靠性三维测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于频闪干涉视觉的微机械动态特性与可靠性测量仪器。该仪器融合了频闪照明、相移干涉、微视觉、计算机同步控制技术以及精确环境控制技术，主要包括计算机、频闪光源、偏振型泰曼格林(Twyman－Green)干涉仪、相移器及其驱动器、信号发生器、CCD摄像机、6自由度工作台、环境控制箱等。可以完成微机械器件微几何量、面内与离面运动、静态动态三维形貌、动态特性参数(如共振频率等)、微机械器件力学性能的非接触测量，结合环境控制箱可以完成微机械器件可靠性测试。系统可以达纳米级分辨率。

Description

微机电系统动态特性与可靠性三维测量装置

技术领域  本发明涉及一种基于频闪干涉视觉的微机电系统(Micro Electro Mechanical System-MEMS)动态特性三维测量装置，可实现微机电系统中运动微机械器件的静态动态特性的全三维可视化测量。

背景技术  MEMS是指可以批量制作的，集微型机构、微型传感器和微执行器以及信号处理和控制电路，直至接口、通讯和电源等于一体的微型系统。广义上包含毫米和微米尺度的机械，但并非单纯的宏观机械微小化。MEMS研究需要解决其批量生产过程中面临的材料、设计、制造、测试等方面的各种基础理论和关键技术问题。对于测试而言，由于MEMS除电子部件外还包含机械部件，这使得MEMS测试必须包含电子性能测试和机械特性测试。相对于MEMS电子性能的测试，其机械特性的测试尤其是动态机械特性测试要复杂的多，但动态测试对其设计、制造和可靠性却具有重要意义。与宏观机械结构类似，MEMS动态特性测试包括振动激励、振动测量和模态分析等三个基本环节。通过某种激励力作用在被测MEMS器件上，使其产生振动响应，通过测量激励和响应，进而确定MEMS器件的自然频率、模态向量等参数，从而建立或验证MEMS器件的理论模型，并结合有限元分析(Finite Element Analysis，FEA)和CAD技术，最终指导MEMS器件的结构优化设计、降低成本、提高性能。

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(Scanning Tunneling Microscope，STM)^[1]和原子力显微镜(Atomic Force Microscope，AFM)^[2]、机械和光探针法^[3]、电子散斑干涉(Electronic SpecklePattern Interferometery-ESPI)、数字全息干涉(Digital Holographic Interferometry-DHI)、白光扫描干涉(White Light Scanning Interferomtry-WLSI)^[4]、莫尔干涉(Moirre Interferometry)、激光多普勒测振仪(LaserDoppler Vibrometer，LDV)和扫描多普勒振动仪^[5](Scanning Laser Doppler Vibrometer，SLDV)以及微视觉[7](Micro Vison)^[6]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，且存在夹持困难和测试环境条件不易控制的问题。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。

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)。为了获得整个结构的动力学特性(如被测结构的模态向量)，需要对被测结构表面各点依次进行激振测量，从而需要一套扫描系统与之相配合。在扫描工作台方式中，工作台本身的振动也是一个问题，而且尽管步进电机本身的速度很快，达100mm/s以上，但点到点的定位时间却需数百毫秒，从而限制了测量的扫描速度。扫描激光多普勒测振仪(SLDV)通过使用镜面扫描方式提高了扫描性能，它包括激光光学单元、扫描控制单元和数据获取单元等部分。其中，扫描控制单元使激光束从一点定位到另一点，然后在每个测量点停留数微秒或数毫秒(这由测量所需精度和信号处理器的捕获速度等因素所决定)。目前SLDV的扫描速度和测量精度主要受扫描镜性能的限制。事实上，扫描速度受扫描器共振频率的限制(电流计扫描低于10kHz，多棱旋转镜扫描低于50kHz)。采用多棱镜扫描时，扫描速度还受稳定时间(即从多棱镜运动的初始时刻到激光束稳定到容许的聚焦终点所消耗的时间)的限制；在高速扫描时，离心力过大还有可能扭曲光学表面，甚至可能支解多棱镜。此外，SLDV中的机械运动也将导致测量精度的恶化，在恒定的扫描速度下所作的实验研究表明，SLDV的重复测量精度最高只达到1％。

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。

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)技术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，即可估计出被测MEMS表面随时间变化的垂向运动变化图，即可实现MEMS器件的全三维可视化动态测量。

以上构成的频闪干涉视觉测量系统只能进行常温常压下的MEMS动态特性测量，而MEMS的工作环境条件不单在常温常压下工作，还包括低温高温、低压高压、低湿高湿环境。因而研究MEMS在不同环境条件下的特性与可靠性成为必须。将环境控制箱与频闪干涉视觉测量系统相结合可以、并利用常工作距离物镜可以对MEMS的可靠性进行可视化测量。

主要参考文献

[1]Binnig G，Rohrer H，Gerber Ch，et a1.Surface studies by scanning tunneling microscopy.Physics ReviewLetter，1982，49(1)：57-61

[2]Binnig G，Quate C F，Geber Ch.Atomic force microscope.Physics Review Letter，1986，56(9)：930-933

[3]周明宝，林大键.微结构表面形貌的测量.光学精密工程.1999.6.7-13

[4]Alain B，Sylvain P.Characterization of the static and dynamic behavior of M(O)EMS byoptical techniques：status and trends.Journal of Micromechanics and Microengineering.2003，13：23-32

[5]Ngoi B K A，Venkatakrishnan K.Noncontact acoustic optic scanning laser vibrometer for determiningthe difference between an object and a reference surface.US Patent 6,271,924,2001

[6]Abbott A L.A survey of selective fixation control for machine vision.IEEEControl Systems Magazine，1992，12(4)：25-31

发明内容  针对以上状况，本发明将频闪照明、相移干涉测量、视觉测量以及环境控制等技术有机结合构成基于频闪干涉视觉的微机电系统动态特性与可靠性三维测量装置。系统机构如说明书附图2。采用偏振型干涉仪可以连续调整参考光路和测量光路的分光比，这样可以适应不同反射率的MEMS器件。频闪显微视觉测量(遮光闸关闭)可以完成MEMS微几何量、面内运动等测量；频闪干涉视觉测量(遮光闸开启)，结合显微视觉测量的面内运动结果可以进行MEMS表面垂向变形与运动测量进而确定其动态特性参数，如动态表面形貌、共振频率等。环境控制箱可以精确控制微机电系统的工作环境(包括温度、湿度、压力)。从而解决了不同条件下微机电系统高频高速运动的全三维可视化测量与可靠性测量问题，可以获取准确的MEMS静动态特性。

附图说明  图1微机电系统动态特性与可靠性三维测量装置图

图2数据处理流程图

图3系统精确同步控制时序图

具体实施方式  本装置结构如附图1所示，由偏振型泰曼格林(Twyman-Green)干涉仪、信号发生器、半导体激光器频闪脉冲光源及其驱动器、CCD相机、移相用微位移工作台、以及控制计算机等子系统组成。其中泰曼格林干涉仪由一个频闪光源准直透镜、一个1/2波片、一个偏振片、空间滤波器(由显微物镜和小孔组成)、一个扩束透镜、一个聚焦透镜、一个偏振分光棱镜、两个1/4波片、一个遮光闸、两个相同的显微物镜、一个成像透镜和一个检偏器组成。激光通过准直透镜后分别经过偏振片、1/2波片、空间滤波器(由显微物镜1和小孔组成)、扩束透镜镜、聚集透镜后进入偏振分光棱镜，分光棱镜将线偏振光分成两束互相垂直的线偏振光后分别经过1/4波片、显微物镜2和3，入射到MEMS器件和参考镜。然后MEMS器件和参考镜的反射光又经过显微物镜、1/4波片、偏振分光棱镜、透镜2、检偏器后在CCD摄像机上形成干涉条纹。偏振片的作用是将半导体激光器发出的激光变成线偏振光，而1/2波片则是调整入射到MEMS器件和参考镜的分束比，从而使在CCD上获得的干涉图的对比度最好。两个1/4波片的作用是使两次通过其的光线旋转90°，再通过偏振分光棱镜后射向CCD而不是沿原入射光路返回。检偏器的作用是使互相垂直的线偏振光发生干涉。这样可以减小对光源的影响。PZT带动参考镜移动完成相移，获得多幅条纹图。如图附图2所示，系统采用柯勒(Khler)照明，使得对MEMS器件和参考镜能被均匀照明。MEMS器件和参考镜均应位于显微物镜的焦平面上。同样CCD摄像机也位于透镜2的焦平面。系统工作在两种模式下：频闪干涉视觉测量模式(遮光闸开启)；频闪显微视觉测量模式(遮光闸关闭)。在频闪干涉视觉测量模式下，通过分析干涉图可以实现物体表面垂向变形和运动的可视化测量。在频闪显微视觉测量模式下，通过分析视觉图像可以实现物体平面内运动的可视化测量。两种模式结合，实现了MEMS高频高速运动的全三维可视化超精密测量，结合测试软件可完成动态特性自动测试与分析。

频闪显微视觉测量系统中基于视觉图像的物体平面内运动估计。利用遮光闸遮住射入参考平面镜的光线，本系统变为频闪显微视觉系统，在CCD成像平面上不产生干涉图案，而是形成被测MEMS器件的视觉图像。采用周期性激励信号和频闪观测技术，则即使MEMS在该激励周期内做超高频高速运动，但视觉系统拍摄的总是“冻结”不变的图像，每一图像对应该激励周期内的某一相对时刻。通过调整频闪光脉冲与该周期性激励信号的相对延时，将获得该激励周期内不同时刻的多幅图像。由于不同时刻的多幅视觉图像中都有共同的刚体标志，若从第一时刻的视觉图像中将此刚体标志提取出来做成一个模板，则可以采用模板匹配的方法计算该模板在后续各个时刻的视觉图像中的位置，并与该模板在第一时刻视觉图像中的位置进行比较即可得出各时刻运动位移。采用亚象素步长相关法可提高模板匹配的精度。在确定了像素级匹配位置后，由于实际运动位移不一定像素宽度的整数倍，为提高测量精度，本装置以像素级匹配位置为中心的一个小区域采用亚像素步长进行精确定位。从而获得微机电系统中微机械器件的亚象素级的面内运动。

频闪干涉视觉测量系统中基于干涉图案的物体表面垂向变形与运动估计。通过调校频闪干涉视觉测量系统，使被测物体表面和参考平面镜都与入射光线方向相同，则被测MEMS表面和参考平面镜的反射光将在CCD成像平面上产生干涉现象，并形成明暗相间的干涉图案。通过控制微位移使参考平面镜产生不同的微小位移，即产生移相，则即使被测MEMS表面形貌保持不变，但形成的干涉图案也将发生改变。利用静态去包裹算法(如分割线算法、基于图像的去包裹算法等)，从不同相移的多幅干涉图中估计出被测MEMS表面的三维静态形貌图。通过使用激振信号激振MEMS器件，使被测MEMS表面产生周期性的运动。采用频闪观测技术，使得频闪光源的闪光频率与该周期性激励信号的频率相等，则即使MEMS在该激励周期内做高频高速运动，系统拍摄的总是一幅“冻结”不变的干涉图案，每一图案对应激励周期内的某一确定时刻。采用微位移工作台驱动参考镜产生相移，则可获得一个激励周期内某一确定时刻对应的一组干涉图案。调整频闪光源脉冲序列与正弦激励信号的相对时延，可获得一个激励周期内不同时刻的多组干涉图案集。对激励周期内不同时刻的干涉图案集分别采用上述三维静态形貌图测量算法，将得到MEMS表面在该激励周期内不同时刻的形貌图。为测量MEMS器件的离面运动，首先要得到被测MEMS表面随时间变化的垂向运动变化图，即需要对时间上相关的多组干涉图案集进行组间去包裹。组间去包裹关键是去包裹时种子点的选取。选取的原则为：某点在相邻两个频闪时刻间隔内运动幅度不超过四分之一频闪光波长，在此基础上该点的运动幅度越小越好。选择种子点时应保证其不是坏点(residue point)。种子点选取之后，按频闪时刻先后顺序从各组包裹相位图中抽取种子点对应的包裹相位值，构成具有时间分辨率的一维包裹相位图。对该一维包裹相位图用传统去包裹算法去包裹后即可得到种子点在激励周期内各时刻的真实相位。将种子点激励周期内各个时刻的真实相位减去激励周期内第一时刻的相位，将得到种子点在各时刻相对于第一时刻的相位偏移。为了得到激励周期内不同时刻MEMS表面相对于第一时刻的垂向位移，首先对各组包裹相位图以种子点为起点进行去包裹，得到各时刻的去包裹相位图。其次，将种子点在各时刻相对于第一时刻的相位偏移量加到各对应时刻去包裹相位图所有点上。最后，利用式(1)计算得出具有时间分辨率的各时刻MEMS表面三维形貌图。

h(x，y)为MEMS的不同位置(x，y)的高度，λ为频闪光源的波长，(x，y)为MEMS的不同位置的真实相位。

数据处理流程如附图2。

周期性激振、频闪脉冲光源、参考镜相移驱动器和视频采集等子系统的计算机精确同步控制。根据激励信号的周期，计算机预先算出不同的延时值并控制延时发生器，使脉冲光源相对于激励信号以精确的相对延时进行同步频闪照明；同时计算机通过指令控制CCD摄像机进行同步视频采集，可获取激励周期内不同时刻的干涉图案或视觉图像。此外，计算机通过控制压电步进电机使参考平面镜产生不同的微小位移，可获取某一时刻的一组相移干涉图案集。为了在测量动态形貌时考虑面内运动的影响，在整个测量过程中MEMS的驱动信号和照明信号始终保持同步。同步时序图如附图3。

通过对环境控制箱进行不同的温度——压力、温度——湿度的精确控制，结合长工作距离物镜通过环境控制箱的透明窗口可以完成MEMS在不同环境条件下的动态特性和可靠性测量。

Claims (5)

1、一种微机电系统动态特性与可靠性三维测量装置，由半导体激光器频闪光源及其驱动器、偏振型泰曼格林干涉仪、微位移工作台及其驱动器、CCD摄像机、控制计算机、信号发生器、环境控制箱等组成。其特征在于可进行微机电系统动态特性与可靠性的三维可视化测量。

2、按照权利要求1所述微机电系统动态特性与可靠性三维测量装置，其特征在于计算机对微机电系统驱动信号、半导体激光器频闪光源、CCD摄像机三者的精确同步控制与精确相对延时，可以精确捕捉微机电系统器件不同时刻的面内与离面运动。

3、按照权利要求1所述微机电系统动态特性与可靠性三维测量装置，其特征在于采用偏振型泰曼格林干涉仪，使测量光路和参考光路的分光比连续可调，适应不同表面反射率的微机电系统测量。

4、按照权利要求1所述微机电系统动态特性与可靠性三维测量装置，其特征在于将微视觉与相移干涉相结合进行静态、动态形貌纳米级分辨率测量。

5、按照权利要求1所述微机电系统动态特性与可靠性三维测量装置，其特征在于将环境控制箱与光学测量系统结合，进行不同条件下微机电系统动态特性与可靠性的三维可视化测量。计算机可对环境控制箱进行精确温度——压力、温度——湿度控制。