專利名稱：微機電系統動態特性與可靠性三維測量裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種基于頻閃干涉視覺的微機電系統(Micro Electro Mechanical System-MEMS)動態特性三維測量裝置，可實現微機電系統中運動微機械器件的靜態動態特性的全三維可視化測量。
背景技術：
MEMS是指可以批量制作的，集微型機構、微型傳感器和微執行器以及信號處理和控制電路，直至接口、通訊和電源等于一體的微型系統。廣義上包含毫米和微米尺度的機械，但并非單純的宏觀機械微小化。MEMS研究需要解決其批量生產過程中面臨的材料、設計、制造、測試等方面的各種基礎理論和關鍵技術問題。對于測試而言，由于MEMS除電子部件外還包含機械部件，這使得MEMS測試必須包含電子性能測試和機械特性測試。相對于MEMS電子性能的測試，其機械特性的測試尤其是動態機械特性測試要復雜的多，但動態測試對其設計、制造和可靠性卻具有重要意義。與宏觀機械結構類似，MEMS動態特性測試包括振動激勵、振動測量和模態分析等三個基本環節。通過某種激勵力作用在被測MEMS器件上，使其產生振動響應，通過測量激勵和響應，進而確定MEMS器件的自然頻率、模態向量等參數，從而建立或驗證MEMS器件的理論模型，并結合有限元分析(Finite Element Analysis，FEA)和CAD技術，最終指導MEMS器件的結構優化設計、降低成本、提高性能。
MEMS動態特性測試存在以下問題1、MEMS器件共振響應的最大振幅從微米級到納米級不等，其運動速度往往很大，因而要求MEMS動態測試技術及設備達到納米級的位置測量精度；2、MEMS器件的共振響應頻率非常高，可達數萬、數十萬、甚至上兆赫茲，因而要求MEMS動態測試設備也具有這樣高的頻率響應特性，應具備捕獲MEMS超高頻超高速運動細節的能力；3、MEMS器件本身的尺寸非常小，常規接觸測量方法無法勝任，因而要求采用基于光學的非接觸無損測量。且能進行靜態動態的面內與離面全場測量；4、MEMS器件本身的尺寸非常微小，要求測量分辨率高，應達到納米級。
目前可達納米級精度的測量方法有掃描隧道顯微鏡(Scanning Tunneling Microscope，STM)[1]和原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope，AFM)[2]、機械和光探針法[3]、電子散斑干涉(Electronic SpecklePattern Interferometery-ESPI)、數字全息干涉(Digital Holographic Interferometry-DHI)、白光掃描干涉(White Light Scanning Interferomtry-WLSI)[4]、莫爾干涉(Moirre Interferometry)、激光多普勒測振儀(LaserDoppler Vibrometer，LDV)和掃描多普勒振動儀[5](Scanning Laser Doppler Vibrometer，SLDV)以及微視覺[7](Micro Vison)[6]方法等。
掃描隧道顯微鏡(STM)和原子力顯微鏡(AFM)的發明解決了原子級尺度的測量問題，但由于這些測量只能在靜態環境下進行，因而只能獲取MEMS和其它微結構的靜態幾何尺寸和表面形貌等參數，而無法勝任MEMS在高頻高速運動下的動力學特性測試，且存在夾持困難和測試環境條件不易控制的問題。機械探針和光探針法也可實現高精度的測量，但是機械探針容易對MEMS器件表面造成破壞，且二者也只能進行靜態單點測量。
電子散斑干涉、數字全息干涉、白光掃描干涉、莫爾干涉可以實現全場測量，但是存在不同程度的缺陷。如電子散斑干涉和數字全息干涉可以進行全場動態測量，但其對被測器件的表面反射率有一定的要求。白光掃描干涉的優點是進行全場、寬離面測量范圍，但是需要被測器件進行垂向離面運動，故不適合進行動態測量。而莫爾干涉則需要制作光柵，或者將光柵投影到被測器件，或者是將其投影到被測器件上。
激光多普勒振動儀(LDV)是一類應用最廣的非接觸式無損測量設備，目前已具備納米級的測量精度，在宏觀結構和微型結構的動態測量方面都獲得了廣泛應用。在大多數情況下，LDV一次只能測量被測結構表面單個點的運動情況，通過實時測量該點位移隨時間的變化曲線，可以很容易獲得被測結構在該點處的動力學特性(如頻率響應函數)。為了獲得整個結構的動力學特性(如被測結構的模態向量)，需要對被測結構表面各點依次進行激振測量，從而需要一套掃描系統與之相配合。在掃描工作臺方式中，工作臺本身的振動也是一個問題，而且盡管步進電機本身的速度很快，達100mm/s以上，但點到點的定位時間卻需數百毫秒，從而限制了測量的掃描速度。掃描激光多普勒測振儀(SLDV)通過使用鏡面掃描方式提高了掃描性能，它包括激光光學單元、掃描控制單元和數據獲取單元等部分。其中，掃描控制單元使激光束從一點定位到另一點，然后在每個測量點停留數微秒或數毫秒(這由測量所需精度和信號處理器的捕獲速度等因素所決定)。目前SLDV的掃描速度和測量精度主要受掃描鏡性能的限制。事實上，掃描速度受掃描器共振頻率的限制(電流計掃描低于10kHz，多棱旋轉鏡掃描低于50kHz)。采用多棱鏡掃描時，掃描速度還受穩定時間(即從多棱鏡運動的初始時刻到激光束穩定到容許的聚焦終點所消耗的時間)的限制；在高速掃描時，離心力過大還有可能扭曲光學表面，甚至可能支解多棱鏡。此外，SLDV中的機械運動也將導致測量精度的惡化，在恒定的掃描速度下所作的實驗研究表明，SLDV的重復測量精度最高只達到1％。
微視覺是另一類應用很廣的非接觸式無損測量技術。隨著現代圖像處理和視覺伺服等技術的不斷發展，微視覺已在很多領域獲得了成功應用，如微機器人、微操作、微加工、微裝配和微檢測等。微視覺系統由顯微光學成像系統、光學照明系統、CCD傳感器、圖像捕捉卡、計算機及圖像處理軟件等組成。通過高倍率光學放大和高分辨率CCD傳感器，微視覺可以實現很高精度的平面乃至三維幾何尺寸測量，達亞微米甚至納米級精度；通過分析不同時刻多幅圖像之間的關系，如光流分析、歸一化灰度相關分析，可以實現高精度的幾何位置變化測量，即平面內運動或三維運動測量。而且隨著亞像素邊緣檢測技術的發展該方法的測量精度也得到了很大提高，一般可以達到1/10像素以上的精度。常規微視覺系統的一個重大缺陷是其視頻采樣速率不高，普通的CCD相機為每秒25幀(PAL制)或每秒30幀(NTSC制)，顯然無法勝任MEMS高達數萬、數十萬、甚至上兆赫茲的高頻振動響應的運動細節測量。另外，微視覺系統主要擅長于測量被測物體(一般為剛體)在平面內的運動，盡管它也可以用于垂直于成像平面的垂向運動測量，但需要采用多視覺和景深處理等復雜技術，而且其測量精度比平面內運動測量精度低很多。
為了利用微視覺系統實現MEMS或其它微結構的超高頻超高速運動測量，一種可行而有效的方法是將頻閃觀測法與之相配合，構成頻閃微視覺測量系統。頻閃觀測是一種基于頻閃效應原理的高速運動觀測技術對高速且具周期性運動的物體，如果用一持續時間極短的脈沖頻閃光去照射它，并使頻閃光的閃光頻率等于物體運動的變化頻率，則當每次閃光時，物體運動總是到達同一位置，人眼觀察或微視覺系統拍攝的就仿佛是一幅“凍結”不變的靜止圖像。利用這一原理，頻閃微視覺系統不但可以測出高速周期性運動的頻率；而且可以記錄下該運動周期內任一時刻的運動細節，其方法是保證頻閃光的閃光頻率與物體運動頻率相等，并逐漸調整頻閃光脈沖相對于物體運動的相對延時，則可以獲得一系列“凍結”不變的靜止圖像，每一圖像對應物體運動周期內的某一相對時刻。因此，頻閃微視覺系統獲取運動圖像的時間分辨率不再由CCD相機的幀采樣率所決定，而是取決于頻閃光進行同步閃光時所能調整的最小延時增量。頻閃微視覺系統的一個局限性是它不能測量隨機運動，而只能測量周期性平穩過程或周期性瞬態過程，但在MEMS動力學測試分析中，可以通過設計將激勵信號選為周期性信號(如諧波信號或周期性方波信號)，則被測物體也做周期性運動，頻閃微視覺系統就可以測量該激勵周期內每一時刻的運動細節，從而不受上述局限性的限制。但頻閃微視覺系統與常規微視覺系統一樣，只能獲得高精度的平面內運動測量，仍然難以獲得同樣精度的平面垂向運動測量。
為了利用微視覺系統實現平面垂向運動的高精度測量，一種有效的方法是將頻閃觀測與干涉測量技術相結合，構成頻閃干涉視覺測量系統。利用相移干涉(Phase-Shifting Interferometry-PSI)技術獲得納米級的垂向測量分辨率。雙光路相移法原理是通過控制參考鏡的位移使參考光路和測量光路之間產生固定間隔的相位差，進而改變光程差，從而獲得多幅干涉條紋圖。對所獲得的多幅條紋圖進行相位去包裹，可以恢復器件表面面的離面形貌圖。干涉儀采用連續照明光源，則如前所述，由于CCD視頻采樣速率不高而無法勝任MEMS的超高頻運動測量。改進方法是采用脈沖光進行頻閃照明，即保證頻閃光的閃光頻率與物體運動頻率相等，則即使物體在其運動周期內做超高頻高速運動，但視覺系統拍攝的總是一“凍結”不變的干涉圖案，每一圖案對應該運動周期內的某一相對時刻。采用上述移相技術，在物體運動周期內某一時刻可獲得不同移相的一組干涉圖案集，對應該時刻的一幅平面高度形貌圖。通過調整頻閃光脈沖與物體運動周期的相對延時，將獲得該物體運動周期內不同時刻的多組干涉圖案集。對這些干涉圖案進行組間和組內的動態相位去包裹，即可估計出被測MEMS表面隨時間變化的垂向運動變化圖，即可實現MEMS器件的全三維可視化動態測量。
以上構成的頻閃干涉視覺測量系統只能進行常溫常壓下的MEMS動態特性測量，而MEMS的工作環境條件不單在常溫常壓下工作，還包括低溫高溫、低壓高壓、低濕高濕環境。因而研究MEMS在不同環境條件下的特性與可靠性成為必須。將環境控制箱與頻閃干涉視覺測量系統相結合可以、并利用常工作距離物鏡可以對MEMS的可靠性進行可視化測量。
主要參考文獻[1]Binnig G，Rohrer H，Gerber Ch，et a1.Surface studies by scanning tunneling microscopy.Physics ReviewLetter，1982，49(1)57-61 Binnig G，Quate C F，Geber Ch.Atomic force microscope.Physics Review Letter，1986，56(9)930-933[3]周明寶，林大鍵.微結構表面形貌的測量.光學精密工程.1999.6.7-13[4]Alain B，Sylvain P.Characterization of the static and dynamic behavior of M(O)EMS byoptical techniquesstatus and trends.Journal of Micromechanics and Microengineering.2003，1323-32[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-
發明內容
針對以上狀況，本發明將頻閃照明、相移干涉測量、視覺測量以及環境控制等技術有機結合構成基于頻閃干涉視覺的微機電系統動態特性與可靠性三維測量裝置。系統機構如說明書附圖2。采用偏振型干涉儀可以連續調整參考光路和測量光路的分光比，這樣可以適應不同反射率的MEMS器件。頻閃顯微視覺測量(遮光閘關閉)可以完成MEMS微幾何量、面內運動等測量；頻閃干涉視覺測量(遮光閘開啟)，結合顯微視覺測量的面內運動結果可以進行MEMS表面垂向變形與運動測量進而確定其動態特性參數，如動態表面形貌、共振頻率等。環境控制箱可以精確控制微機電系統的工作環境(包括溫度、濕度、壓力)。從而解決了不同條件下微機電系統高頻高速運動的全三維可視化測量與可靠性測量問題，可以獲取準確的MEMS靜動態特性。
圖1微機電系統動態特性與可靠性三維測量裝置2數據處理流程3系統精確同步控制時序圖具體實施方式
本裝置結構如附圖1所示，由偏振型泰曼格林(Twyman-Green)干涉儀、信號發生器、半導體激光器頻閃脈沖光源及其驅動器、CCD相機、移相用微位移工作臺、以及控制計算機等子系統組成。其中泰曼格林干涉儀由一個頻閃光源準直透鏡、一個1/2波片、一個偏振片、空間濾波器(由顯微物鏡和小孔組成)、一個擴束透鏡、一個聚焦透鏡、一個偏振分光棱鏡、兩個1/4波片、一個遮光閘、兩個相同的顯微物鏡、一個成像透鏡和一個檢偏器組成。激光通過準直透鏡后分別經過偏振片、1/2波片、空間濾波器(由顯微物鏡1和小孔組成)、擴束透鏡鏡、聚集透鏡后進入偏振分光棱鏡，分光棱鏡將線偏振光分成兩束互相垂直的線偏振光后分別經過1/4波片、顯微物鏡2和3，入射到MEMS器件和參考鏡。然后MEMS器件和參考鏡的反射光又經過顯微物鏡、1/4波片、偏振分光棱鏡、透鏡2、檢偏器后在CCD攝像機上形成干涉條紋。偏振片的作用是將半導體激光器發出的激光變成線偏振光，而1/2波片則是調整入射到MEMS器件和參考鏡的分束比，從而使在CCD上獲得的干涉圖的對比度最好。兩個1/4波片的作用是使兩次通過其的光線旋轉90°，再通過偏振分光棱鏡后射向CCD而不是沿原入射光路返回。檢偏器的作用是使互相垂直的線偏振光發生干涉。這樣可以減小對光源的影響。PZT帶動參考鏡移動完成相移，獲得多幅條紋圖。如圖附圖2所示，系統采用柯勒(Khler)照明，使得對MEMS器件和參考鏡能被均勻照明。MEMS器件和參考鏡均應位于顯微物鏡的焦平面上。同樣CCD攝像機也位于透鏡2的焦平面。系統工作在兩種模式下頻閃干涉視覺測量模式(遮光閘開啟)；頻閃顯微視覺測量模式(遮光閘關閉)。在頻閃干涉視覺測量模式下，通過分析干涉圖可以實現物體表面垂向變形和運動的可視化測量。在頻閃顯微視覺測量模式下，通過分析視覺圖像可以實現物體平面內運動的可視化測量。兩種模式結合，實現了MEMS高頻高速運動的全三維可視化超精密測量，結合測試軟件可完成動態特性自動測試與分析。
頻閃顯微視覺測量系統中基于視覺圖像的物體平面內運動估計。利用遮光閘遮住射入參考平面鏡的光線，本系統變為頻閃顯微視覺系統，在CCD成像平面上不產生干涉圖案，而是形成被測MEMS器件的視覺圖像。采用周期性激勵信號和頻閃觀測技術，則即使MEMS在該激勵周期內做超高頻高速運動，但視覺系統拍攝的總是“凍結”不變的圖像，每一圖像對應該激勵周期內的某一相對時刻。通過調整頻閃光脈沖與該周期性激勵信號的相對延時，將獲得該激勵周期內不同時刻的多幅圖像。由于不同時刻的多幅視覺圖像中都有共同的剛體標志，若從第一時刻的視覺圖像中將此剛體標志提取出來做成一個模板，則可以采用模板匹配的方法計算該模板在后續各個時刻的視覺圖像中的位置，并與該模板在第一時刻視覺圖像中的位置進行比較即可得出各時刻運動位移。采用亞象素步長相關法可提高模板匹配的精度。在確定了像素級匹配位置后，由于實際運動位移不一定像素寬度的整數倍，為提高測量精度，本裝置以像素級匹配位置為中心的一個小區域采用亞像素步長進行精確定位。從而獲得微機電系統中微機械器件的亞象素級的面內運動。
頻閃干涉視覺測量系統中基于干涉圖案的物體表面垂向變形與運動估計。通過調校頻閃干涉視覺測量系統，使被測物體表面和參考平面鏡都與入射光線方向相同，則被測MEMS表面和參考平面鏡的反射光將在CCD成像平面上產生干涉現象，并形成明暗相間的干涉圖案。通過控制微位移使參考平面鏡產生不同的微小位移，即產生移相，則即使被測MEMS表面形貌保持不變，但形成的干涉圖案也將發生改變。利用靜態去包裹算法(如分割線算法、基于圖像的去包裹算法等)，從不同相移的多幅干涉圖中估計出被測MEMS表面的三維靜態形貌圖。通過使用激振信號激振MEMS器件，使被測MEMS表面產生周期性的運動。采用頻閃觀測技術，使得頻閃光源的閃光頻率與該周期性激勵信號的頻率相等，則即使MEMS在該激勵周期內做高頻高速運動，系統拍攝的總是一幅“凍結”不變的干涉圖案，每一圖案對應激勵周期內的某一確定時刻。采用微位移工作臺驅動參考鏡產生相移，則可獲得一個激勵周期內某一確定時刻對應的一組干涉圖案。調整頻閃光源脈沖序列與正弦激勵信號的相對時延，可獲得一個激勵周期內不同時刻的多組干涉圖案集。對激勵周期內不同時刻的干涉圖案集分別采用上述三維靜態形貌圖測量算法，將得到MEMS表面在該激勵周期內不同時刻的形貌圖。為測量MEMS器件的離面運動，首先要得到被測MEMS表面隨時間變化的垂向運動變化圖，即需要對時間上相關的多組干涉圖案集進行組間去包裹。組間去包裹關鍵是去包裹時種子點的選取。選取的原則為某點在相鄰兩個頻閃時刻間隔內運動幅度不超過四分之一頻閃光波長，在此基礎上該點的運動幅度越小越好。選擇種子點時應保證其不是壞點(residue point)。種子點選取之后，按頻閃時刻先后順序從各組包裹相位圖中抽取種子點對應的包裹相位值，構成具有時間分辨率的一維包裹相位圖。對該一維包裹相位圖用傳統去包裹算法去包裹后即可得到種子點在激勵周期內各時刻的真實相位。將種子點激勵周期內各個時刻的真實相位減去激勵周期內第一時刻的相位，將得到種子點在各時刻相對于第一時刻的相位偏移。為了得到激勵周期內不同時刻MEMS表面相對于第一時刻的垂向位移，首先對各組包裹相位圖以種子點為起點進行去包裹，得到各時刻的去包裹相位圖。其次，將種子點在各時刻相對于第一時刻的相位偏移量加到各對應時刻去包裹相位圖所有點上。最后，利用式(1)計算得出具有時間分辨率的各時刻MEMS表面三維形貌圖。
h(x，y)為MEMS的不同位置(x，y)的高度，λ為頻閃光源的波長，(x，y)為MEMS的不同位置的真實相位。
數據處理流程如附圖2。
周期性激振、頻閃脈沖光源、參考鏡相移驅動器和視頻采集等子系統的計算機精確同步控制。根據激勵信號的周期，計算機預先算出不同的延時值并控制延時發生器，使脈沖光源相對于激勵信號以精確的相對延時進行同步頻閃照明；同時計算機通過指令控制CCD攝像機進行同步視頻采集，可獲取激勵周期內不同時刻的干涉圖案或視覺圖像。此外，計算機通過控制壓電步進電機使參考平面鏡產生不同的微小位移，可獲取某一時刻的一組相移干涉圖案集。為了在測量動態形貌時考慮面內運動的影響，在整個測量過程中MEMS的驅動信號和照明信號始終保持同步。同步時序圖如附圖3。
通過對環境控制箱進行不同的溫度——壓力、溫度——濕度的精確控制，結合長工作距離物鏡通過環境控制箱的透明窗口可以完成MEMS在不同環境條件下的動態特性和可靠性測量。
權利要求
1.一種微機電系統動態特性與可靠性三維測量裝置，由半導體激光器頻閃光源及其驅動器、偏振型泰曼格林干涉儀、微位移工作臺及其驅動器、CCD攝像機、控制計算機、信號發生器、環境控制箱等組成。其特征在于可進行微機電系統動態特性與可靠性的三維可視化測量。
2.按照權利要求1所述微機電系統動態特性與可靠性三維測量裝置，其特征在于計算機對微機電系統驅動信號、半導體激光器頻閃光源、CCD攝像機三者的精確同步控制與精確相對延時，可以精確捕捉微機電系統器件不同時刻的面內與離面運動。
3.按照權利要求1所述微機電系統動態特性與可靠性三維測量裝置，其特征在于采用偏振型泰曼格林干涉儀，使測量光路和參考光路的分光比連續可調，適應不同表面反射率的微機電系統測量。
4.按照權利要求1所述微機電系統動態特性與可靠性三維測量裝置，其特征在于將微視覺與相移干涉相結合進行靜態、動態形貌納米級分辨率測量。
5.按照權利要求1所述微機電系統動態特性與可靠性三維測量裝置，其特征在于將環境控制箱與光學測量系統結合，進行不同條件下微機電系統動態特性與可靠性的三維可視化測量。計算機可對環境控制箱進行精確溫度——壓力、溫度——濕度控制。
全文摘要
本發明涉及一種基于頻閃干涉視覺的微機械動態特性與可靠性測量儀器。該儀器融合了頻閃照明、相移干涉、微視覺、計算機同步控制技術以及精確環境控制技術，主要包括計算機、頻閃光源、偏振型泰曼格林(Twyman－Green)干涉儀、相移器及其驅動器、信號發生器、CCD攝像機、6自由度工作臺、環境控制箱等。可以完成微機械器件微幾何量、面內與離面運動、靜態動態三維形貌、動態特性參數(如共振頻率等)、微機械器件力學性能的非接觸測量，結合環境控制箱可以完成微機械器件可靠性測試。系統可以達納米級分辨率。
文檔編號G01D21/02GK1710388SQ20041001331
公開日2005年12月21日 申請日期2004年6月17日 優先權日2004年6月17日
發明者史鐵林, 白金鵬, 謝勇君, 周明才 申請人:史鐵林, 白金鵬, 謝勇君