CN2613471Y

CN2613471Y - 微机电系统动态特性三维测量装置

Info

Publication number: CN2613471Y
Application number: CNU032412304U
Authority: CN
Inventors: 史铁林; 刘世元; 白金鹏; 谢勇君
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2003-04-11
Filing date: 2003-04-11
Publication date: 2004-04-28
Anticipated expiration: 2013-04-11

Abstract

微机电系统动态特性三维测量装置，属于精密测量领域，解决微机电系统高频高速运动的全三维可视化测量，提高测量精度和效率，该装置由控制部分和执行部分组成，执行部分包括激光二极管、CCD相机、透射反射分光镜、垂直物镜、左侧和右侧水平物镜、遮光闸、参考平面镜及压电步进电机；控制部分由计算机通过电信号分别与信号发生器、并行接口、串行接口、数据采集卡连接，它们再分别电信号连接相应的压电激振台驱动器、延时发生器、脉冲电源、压电步进电机驱动器。本装置可实现MEMS器件表面三维形貌垂向运动及平面内运动的全三维可视化测量，测量频率200KHz，垂向运动测量精度5nm，平面内运动测量精度10nm。

Description

微机电系统动态特性三维测量装置

技术领域

本实用新型属于精密测量领域，特别涉及微机电系统(MEMS)频闪观测与干涉视觉三维测量的装置。

背景技术

微机电系统(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。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。

目前可达纳米级精度的测量装置有：扫描隧道显微镜(Scanning TunnelingMicroscope，STM)和原子力显微镜(Atomic Force Microscope，AFM)、激光多普勒振动仪(Laser Doppler Vibrometer，LDV)和扫描多普勒振动仪(Scanning LaserDoppler Vibrometer，SLDV)，以及微视觉(Micro Vison)方法等。

尽管扫描隧道显微镜(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。

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辩率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(一体为刚体)在平面内的运动，尽管它也可以用于垂直于成像平而后垂向运动测量，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。

国外将微视觉和频闪干涉相结合的研究在最近几年才开始，其中，麻省理工学院MEMS研究中心Freeman教授等人在国防先进项目局(Defense AdvancedResearch Projects Agency，DARPA)的资助下，最早开展了基于频闪微视觉系统的MEMS动态特性测试研究，见：[1]Davis C ，Freeman D M.Statistics of subpixelregistration algorithms based on spatiotemporal gradients or block matching.OpticalEngineering，1998，37：1290-1298[2]Davis C Q，Freeman D M.Using a lightmicroscope to measure motions with nanometer accuracy.Optical Engineering，1998，27：1299-1304[3]Freeman D M，Davis C Q.Using video microscopy to characterizemicromechanical systems.Proceedings of IEEE/LEOS International Conference onOptical MEMS，1998，9-10 [4]Hemmert W，Mermelstein M S，Freeman D M.Nanometer resolution of three-dimensional motions using video interferencemicroscopy.Proceedings of 12th IEEE International Conference on Micro ElectroMechanical Systems，1999，302-308他们研制的测量系统采用多焦平面成像和景深处理等技术，因而不仅可以测量平面内运动，而且可以测量平面垂向运动，测量精度分别达2.5nm和10nm，最高测量频率达100kHz以上，平面内空间分辨率为500nm，平面内运动最大位移大于5m，平面内运动速度范围为0-20m/s。其光源采用(Light-Emitting Diode，LED)，存在发光能量低、占空比较高的缺点。

发明内容

针对以上状况，本实用新型所提出的微机电系统动态特性三维测量装置将频闪观测、相移干涉测量、视觉测量等技术相结合构成频闪干涉视觉三维测量装置。频闪干涉视觉测量可以进行MEMS表面垂向变形与运动测量进而确定其动态特性，频闪显微视觉测量可以完成MEMS平面内运动测量。从而解决微机电系统高频高速运动的全三维可视化测量，提高测量精度和效率。

本实用新型的一种微机电系统动态特性三维测量装置，由控制部分和执行部分组成，执行部分包括工作台上方垂直光路中设置的CCD相机、透射反射分光镜、垂直物镜、与透射反射分光镜成水平光路中设置的左侧水平物镜、遮光闸、右侧水平物镜、参考平面镜及与之连接的压电步进电机，控制部分包括计算机、压电步进电机驱动器；其特征在于执行部分光源采用激光二极管，工作台上设置有压电激振台，控制部分由计算机通过电信号分别与信号发生器、并行接口、串行接口、数据采集卡连接，信号发生器电信号分别连接压电激振台驱动器和延时发生器、延时发生器电信号连接脉冲电源，后者电信号连接激光二极管；并行接口电信号连接压电步进电机驱动器，后者电信号连接压电步进电机；串行接口电信号连接CCD相机，CCD相机与数据采集卡通过电信号互连。

本装置性能：

1、进行MEMS静态测量和周期性运动测量(包括可复现的瞬态过程)；可以实现MEMS垂向运动和平面内运动的全三维可视化测量；可以实现MEMS动态特性的可编程自动测试与分析。

2、高测量频率200KHz，垂向运动测量精度5nm，平面内运动测量精度10nm，平面内运动空分率500nm，垂向运动最大位移10μm，平面内最大位移100μm，垂向运动速度范围0-2m/s，平面内运动速度范围0-10m/s。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图，

图2为本实用新型控制部分示意图，

图3为使用本实用新型时的同步控制时序图。

具体实施方式

参照图1和图2，本实用新型包括计算机1、CCD相机2、延时发生器3、脉冲电源4、激光二极管5、光纤6、左侧水平物镜7、透射反射分光镜8、遮光闸9、右侧水平物镜10、参考平面镜11、压电步进电机驱动器12、压电步进电机13、垂直物镜14、信号发生器15、压电激振台驱动器16、压电激振台18、工作台19和立柱20，压电激振台18上放置待测MEMS试样17。

图2表示本装置的控制部分，计算机通过电信号分别与信号发生器15、并行接口、串行接口、数据采集卡连接，它们再电信号连接相应部分。

本装置工作在两种模式下：频闪干涉视觉测量模式(当遮光闸允许激光通过时)；频闪显微视觉测量模式。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。具体实施如下：

1、频闪干涉视觉测量系统中基于干涉图案的特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。通过控制压电步进电机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(如连线算法——Branch cutalgorithm、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。通过压电激振器给MEMS器件施加正弦激励信号，使被测MEMS表面产生周期性的垂向运动。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，视觉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。采用压电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。通过动态去包裹算法，计算质量图确定去包裹种子点，可获得MEMS在激励周期内不同时刻的三维形貌图。

2、频闪显微视觉测量系统中基于视觉图象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成像平面上不再产生干涉图案，而是形成被测MEMS器件的视觉图像。采用上述周期性正弦激励和频闪观测技术，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一“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。利用视频图像处理算法(如基于矩法的亚像素定位方法等)，可从不同时刻的多幅视觉图像中估计出被测MEMS随时间变化的平面内运动变化图。可达到亚像素级的精度。

3、周期性激振源、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摄象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移相干涉图案集。本装置计算机控制系统体系结构图如附图2，同步时序图如附图3。

4、MEMS动力学特性自动数据采集与模态分析。根据用户选定的周期性激励信号，并给出频闪脉冲光源的相对延时增量和参考平面镜的移相增量后，计算机将根据预先编制好的程序，自动完成MEMS器件在激励周期内各时刻的全三维可视化运动测量，即获得MEMS器件随时间变化的三维运动变化图；然后计算机采用模态分析技术，根据激励和响应测量结果，自动计算出MEMS器件的频率响应函数和共振频率、振型等模态参数，进而建立或验证MEMS器件的理论动力学模型，并指导MEMS器件的动态结构设计。

Claims

1.一种微机电系统动态特性三维测量装置，由控制部分和执行部分组成，执行部分包括工作台上方垂直光路中设置的CCD相机、透射反射分光镜、垂直物镜、与透射反射分光镜成水平光路中设置的左侧水平物镜、遮光闸、右侧水平物镜、参考平面镜及与之连接的压电步进电机，控制部分包括计算机、压电步进电机驱动器；其特征在于执行部分光源采用激光二极管，工作台上设置有压电激振台，控制部分由计算机通过电信号分别与信号发生器、并行接口、串行接口、数据采集卡连接，信号发生器电信号分别连接压电激振台驱动器和延时发生器、延时发生器电信号连接脉冲电源，后者电信号连接激光二极管；并行接口电信号连接压电步进电机驱动器，后者电信号连接压电步进电机；串行接口电信号连接CCD相机，CCD相机与数据采集卡通过电信号互连。