專利名稱：微機電系統(tǒng)動態(tài)特性三維測量裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于精密測量領域，特別涉及微機電系統(tǒng)(MEMS)頻閃觀測與干涉視覺三維測量的裝置。
背景技術：
微機電系統(tǒng)(MEMS)是指可以批量制作的，集微型機構、微型傳感器和微執(zhí)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(tǒng)。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。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(tài)機械特性測試要復雜的多，但動態(tài)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(tài)特性測試包括振動激勵、振動測量和模態(tài)分析等三個基本環(huán)節(jié)。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(tài)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，F(xiàn)EA)和CAD技術，最終指導MEMS器件的結構優(yōu)化設計、降低成本、提高性能。
MEMS動態(tài)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(tài)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(tài)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(jié)的能力；3、MEMS器件本身的尺寸非常小，常規(guī)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。
目前可達納米級精度的測量裝置有掃描隧道顯微鏡(Scanning TunnelingMicroscope，STM)和原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope，AFM)、激光多普勒振動儀(Laser Doppler Vibrometer，LDV)和掃描多普勒振動儀(Scanning LaserDoppler Vibrometer，SLDV)，以及微視覺(Micro Vison)方法等。
盡管掃描隧道顯微鏡(STM)和原子力顯微鏡(AFM)的發(fā)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(tài)環(huán)境下進行，因而只能獲取MEMS和其它微結構的靜態(tài)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。
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(tài)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(tài)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(tǒng)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(wěn)定時間(即從多棱鏡運動的初始時刻到激光束穩(wěn)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(xiàn)代圖像處理和視覺伺服等技術的不斷發(fā)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(tǒng)由顯微光學成像系統(tǒng)、光學照明系統(tǒng)、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辯率CCD傳感器，微視覺可以實現(xiàn)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(xiàn)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(fā)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(guī)微視覺系統(tǒng)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(jié)測量。另外，微視覺系統(tǒng)主要擅長于測量被測物體(一體為剛體)在平面內的運動，盡管它也可以用于垂直于成像平而后垂向運動測量，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。
國外將微視覺和頻閃干涉相結合的研究在最近幾年才開始，其中，麻省理工學院MEMS研究中心Freeman教授等人在國防先進項目局(Defense AdvancedResearch Projects Agency，DARPA)的資助下，最早開展了基于頻閃微視覺系統(tǒng)的MEMS動態(tài)特性測試研究，見[1]Davis C ，F(xiàn)reeman D M.Statistics of subpixelregistration algorithms based on spatiotemporal gradients or block matching.OpticalEngineering，1998，371290-1298[2]Davis C Q，F(xiàn)reeman D M.Using a lightmicroscope to measure motions with nanometer accuracy.Optical Engineering，1998，271299-1304[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，F(xiàn)reeman D M.Nanometer resolution of three-dimensional motions using video interferencemicroscopy.Proceedings of 12th IEEE International Conference on Micro ElectroMechanical Systems，1999，302-308他們研制的測量系統(tǒng)采用多焦平面成像和景深處理等技術，因而不僅可以測量平面內運動，而且可以測量平面垂向運動，測量精度分別達2.5nm和10nm，最高測量頻率達100kHz以上，平面內空間分辨率為500nm，平面內運動最大位移大于5m，平面內運動速度范圍為0-20m/s。其光源采用(Light-Emitting Diode，LED)，存在發(fā)光能量低、占空比較高的缺點。

發(fā)明內容
針對以上狀況，本實用新型所提出的微機電系統(tǒng)動態(tài)特性三維測量裝置將頻閃觀測、相移干涉測量、視覺測量等技術相結合構成頻閃干涉視覺三維測量裝置。頻閃干涉視覺測量可以進行MEMS表面垂向變形與運動測量進而確定其動態(tài)特性，頻閃顯微視覺測量可以完成MEMS平面內運動測量。從而解決微機電系統(tǒng)高頻高速運動的全三維可視化測量，提高測量精度和效率。
本實用新型的一種微機電系統(tǒng)動態(tài)特性三維測量裝置，由控制部分和執(zhí)行部分組成，執(zhí)行部分包括工作臺上方垂直光路中設置的CCD相機、透射反射分光鏡、垂直物鏡、與透射反射分光鏡成水平光路中設置的左側水平物鏡、遮光閘、右側水平物鏡、參考平面鏡及與之連接的壓電步進電機，控制部分包括計算機、壓電步進電機驅動器；其特征在于執(zhí)行部分光源采用激光二極管，工作臺上設置有壓電激振臺，控制部分由計算機通過電信號分別與信號發(fā)生器、并行接口、串行接口、數據采集卡連接，信號發(fā)生器電信號分別連接壓電激振臺驅動器和延時發(fā)生器、延時發(fā)生器電信號連接脈沖電源，后者電信號連接激光二極管；并行接口電信號連接壓電步進電機驅動器，后者電信號連接壓電步進電機；串行接口電信號連接CCD相機，CCD相機與數據采集卡通過電信號互連。
本裝置性能1、進行MEMS靜態(tài)測量和周期性運動測量(包括可復現(xiàn)的瞬態(tài)過程)；可以實現(xiàn)MEMS垂向運動和平面內運動的全三維可視化測量；可以實現(xiàn)MEMS動態(tài)特性的可編程自動測試與分析。
2、高測量頻率200KHz，垂向運動測量精度5nm，平面內運動測量精度10nm，平面內運動空分率500nm，垂向運動最大位移10μm，平面內最大位移100μm，垂向運動速度范圍0-2m/s，平面內運動速度范圍0-10m/s。


圖1為本實用新型結構示意圖，圖2為本實用新型控制部分示意圖，圖3為使用本實用新型時的同步控制時序圖。
具體實施方式
參照圖1和圖2，本實用新型包括計算機1、CCD相機2、延時發(fā)生器3、脈沖電源4、激光二極管5、光纖6、左側水平物鏡7、透射反射分光鏡8、遮光閘9、右側水平物鏡10、參考平面鏡11、壓電步進電機驅動器12、壓電步進電機13、垂直物鏡14、信號發(fā)生器15、壓電激振臺驅動器16、壓電激振臺18、工作臺19和立柱20，壓電激振臺18上放置待測MEMS試樣17。
圖2表示本裝置的控制部分，計算機通過電信號分別與信號發(fā)生器15、并行接口、串行接口、數據采集卡連接，它們再電信號連接相應部分。
本裝置工作在兩種模式下頻閃干涉視覺測量模式(當遮光閘允許激光通過時)；頻閃顯微視覺測量模式。在頻閃干涉視覺測量模式下，通過分析干涉圖可以實現(xiàn)物體表面的可視化測量。兩種模式結合，實現(xiàn)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(tài)特性自動測試與分析。具體實施如下1、頻閃干涉視覺測量系統(tǒng)中基于干涉圖案的特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(tǒng)，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(xiàn)象，并形成明暗相間的干涉圖案。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，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(fā)生改變。利用靜態(tài)去包裹算法(如連線算法——Branch cutalgorithm、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(tài)形貌圖。通過壓電激振器給MEMS器件施加正弦激勵信號，使被測MEMS表面產生周期性的垂向運動。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，視覺系統(tǒng)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。采用壓電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。通過動態(tài)去包裹算法，計算質量圖確定去包裹種子點，可獲得MEMS在激勵周期內不同時刻的三維形貌圖。
2、頻閃顯微視覺測量系統(tǒng)中基于視覺圖象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(tǒng)變?yōu)轭l閃顯微視覺系統(tǒng)，在CCD成像平面上不再產生干涉圖案，而是形成被測MEMS器件的視覺圖像。采用上述周期性正弦激勵和頻閃觀測技術，則即使MEMS在該激勵周期內做超高頻高速運動，但視覺系統(tǒng)拍攝的總是一“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。利用視頻圖像處理算法(如基于矩法的亞像素定位方法等)，可從不同時刻的多幅視覺圖像中估計出被測MEMS隨時間變化的平面內運動變化圖?？蛇_到亞像素級的精度。
3、周期性激振源、頻閃脈沖光源、參考鏡相移驅動器和視頻采集等子系統(tǒng)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(fā)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攝象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移相干涉圖案集。本裝置計算機控制系統(tǒng)體系結構圖如附圖2，同步時序圖如附圖3。
4、MEMS動力學特性自動數據采集與模態(tài)分析。根據用戶選定的周期性激勵信號，并給出頻閃脈沖光源的相對延時增量和參考平面鏡的移相增量后，計算機將根據預先編制好的程序，自動完成MEMS器件在激勵周期內各時刻的全三維可視化運動測量，即獲得MEMS器件隨時間變化的三維運動變化圖；然后計算機采用模態(tài)分析技術，根據激勵和響應測量結果，自動計算出MEMS器件的頻率響應函數和共振頻率、振型等模態(tài)參數，進而建立或驗證MEMS器件的理論動力學模型，并指導MEMS器件的動態(tài)結構設計。
權利要求1.一種微機電系統(tǒng)動態(tài)特性三維測量裝置，由控制部分和執(zhí)行部分組成，執(zhí)行部分包括工作臺上方垂直光路中設置的CCD相機、透射反射分光鏡、垂直物鏡、與透射反射分光鏡成水平光路中設置的左側水平物鏡、遮光閘、右側水平物鏡、參考平面鏡及與之連接的壓電步進電機，控制部分包括計算機、壓電步進電機驅動器；其特征在于執(zhí)行部分光源采用激光二極管，工作臺上設置有壓電激振臺，控制部分由計算機通過電信號分別與信號發(fā)生器、并行接口、串行接口、數據采集卡連接，信號發(fā)生器電信號分別連接壓電激振臺驅動器和延時發(fā)生器、延時發(fā)生器電信號連接脈沖電源，后者電信號連接激光二極管；并行接口電信號連接壓電步進電機驅動器，后者電信號連接壓電步進電機；串行接口電信號連接CCD相機，CCD相機與數據采集卡通過電信號互連。
專利摘要微機電系統(tǒng)動態(tài)特性三維測量裝置，屬于精密測量領域，解決微機電系統(tǒng)高頻高速運動的全三維可視化測量，提高測量精度和效率，該裝置由控制部分和執(zhí)行部分組成，執(zhí)行部分包括激光二極管、CCD相機、透射反射分光鏡、垂直物鏡、左側和右側水平物鏡、遮光閘、參考平面鏡及壓電步進電機；控制部分由計算機通過電信號分別與信號發(fā)生器、并行接口、串行接口、數據采集卡連接，它們再分別電信號連接相應的壓電激振臺驅動器、延時發(fā)生器、脈沖電源、壓電步進電機驅動器。本裝置可實現(xiàn)MEMS器件表面三維形貌垂向運動及平面內運動的全三維可視化測量，測量頻率200KHz，垂向運動測量精度5nm，平面內運動測量精度10nm。
文檔編號G01M99/00GK2613471SQ03241230
公開日2004年4月28日 申請日期2003年4月11日 優(yōu)先權日2003年4月11日
發(fā)明者史鐵林, 劉世元, 白金鵬, 謝勇君 申請人:華中科技大學