專利名稱：微機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性三維測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于精密測量領(lǐng)域，特別涉及微機(jī)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(shù)：
微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)是指可以批量制作的，集微型機(jī)構(gòu)、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(jī)械，但并非單純的宏觀機(jī)械微小化。MEMS研究需要解決其批量生產(chǎn)過程中面臨的材料、設(shè)計(jì)、制造、測試等方面的各種基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)問題。由于MEMS除電子部件外還包含機(jī)械部件，這使得MEMS測試必須包含電子性能測試和機(jī)械特性測試。相對于MEMS電子性能的測試，其機(jī)械特性的測試尤其是動(dòng)態(tài)機(jī)械特性測試要復(fù)雜的多，但動(dòng)態(tài)測試對其設(shè)計(jì)、制造和可靠性卻具有重要意義。與宏觀機(jī)械結(jié)構(gòu)類似，MEMS動(dòng)態(tài)特性測試包括振動(dòng)激勵(lì)、振動(dòng)測量和模態(tài)分析等三個(gè)基本環(huán)節(jié)。通過某種激勵(lì)力作用在被測MEMS器件上，使其產(chǎn)生振動(dòng)響應(yīng)，通過測量激勵(lì)和響應(yīng)，進(jìn)而確定MEMS器件的自然頻率、模態(tài)向量等參數(shù)，從而建立或驗(yàn)證MEMS器件的理論模型，并結(jié)合有限元分析(Finite Element Analysis，F(xiàn)EA)和CAD技術(shù)，最終指導(dǎo)MEMS器件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、降低成本、提高性能。
MEMS動(dòng)態(tài)特性測試存在以下問題1、MEMS器件共振響應(yīng)的最大振幅從微米級到納米級不等，其運(yùn)動(dòng)速度往往很大，因而要求MEMS動(dòng)態(tài)測試技術(shù)及設(shè)備達(dá)到納米級的位置測量精度；2、MEMS器件的共振響應(yīng)頻率非常高，可達(dá)數(shù)萬、數(shù)十萬、甚至上兆赫茲，因而要求MEMS動(dòng)態(tài)測試設(shè)備也具有這樣高的頻率響應(yīng)特性，應(yīng)具備捕獲MEMS超高頻超高速運(yùn)動(dòng)細(xì)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(xué)的非接觸無損測量。
目前可達(dá)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(dòng)儀(Laser Doppler Vibrometer，LDV)和掃描多普勒振動(dòng)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(jìn)行，因而只能獲取MEMS和其它微結(jié)構(gòu)的靜態(tài)幾何尺寸和表面形貌等參數(shù)，而無法勝任MEMS在高頻高速運(yùn)動(dòng)下的動(dòng)力學(xué)特性測試。
激光多普勒振動(dòng)儀(LDV)是一類應(yīng)用最廣的非接觸式無損測量設(shè)備，目前已具備納米級的測量精度，在宏觀結(jié)構(gòu)和微型結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)測量方面都獲得了廣泛應(yīng)用。在大多數(shù)情況下，LDV一次只能測量被測結(jié)構(gòu)表面單個(gè)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況，通過實(shí)時(shí)測量該點(diǎn)位移隨時(shí)間的變化曲線，可以很容易獲得被測結(jié)構(gòu)在該點(diǎn)處的動(dòng)力學(xué)特性(如頻率響應(yīng)函數(shù))。為了獲得整個(gè)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性(如被測結(jié)構(gòu)的模態(tài)向量)，需要對被測結(jié)構(gòu)表面各點(diǎn)依次進(jìn)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(tái)方式中，工作臺(tái)本身的振動(dòng)也是一個(gè)問題，而且盡管步進(jìn)電機(jī)本身的速度很快，達(dá)100mm/s以上，但點(diǎn)到點(diǎn)的定位時(shí)間卻需數(shù)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(xué)單元、掃描控制單元和數(shù)據(jù)獲取單元等部分。其中，掃描控制單元使激光束從一點(diǎn)定位到另一點(diǎn)，然后在每個(gè)測量點(diǎn)停留數(shù)微秒或數(shù)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(shí)上，掃描速度受掃描器共振頻率的限制(電流計(jì)掃描低于10kHz，多棱旋轉(zhuǎn)鏡掃描低于50kHz)。采用多棱鏡掃描時(shí)，掃描速度還受穩(wěn)定時(shí)間(即從多棱鏡運(yùn)動(dòng)的初始時(shí)刻到激光束穩(wěn)定到容許的聚焦終點(diǎn)所消耗的時(shí)間)的限制；在高速掃描時(shí)，離心力過大還有可能扭曲光學(xué)表面，甚至可能支解多棱鏡。此外，SLDV中的機(jī)械運(yùn)動(dòng)也將導(dǎo)致測量精度的惡化，在恒定的掃描速度下所作的實(shí)驗(yàn)研究表明，SLDV的重復(fù)測量精度最高只達(dá)到1％。
微視覺是另一類應(yīng)用很廣的非接觸式無損測量技術(shù)。隨著現(xiàn)代圖像處理和視覺伺服等技術(shù)的不斷發(fā)展，微視覺已在很多領(lǐng)域獲得了成功應(yīng)用，如微機(jī)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(xué)成像系統(tǒng)、光學(xué)照明系統(tǒng)、CCD傳感器、圖像捕捉卡、計(jì)算機(jī)及圖像處理軟件等組成。通過高倍率光學(xué)放大和高分辯率CCD傳感器，微視覺可以實(shí)現(xiàn)很高精度的平面乃至三維幾何尺寸測量，達(dá)亞微米甚至納米級精度；通過分析不同時(shí)刻多幅圖像之間的關(guān)系，如光流分析、歸一化灰度相關(guān)分析，可以實(shí)現(xiàn)高精度的幾何位置變化測量，即平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)或三維運(yùn)動(dòng)測量。而且隨著亞像素邊緣檢測技術(shù)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(dá)到1/10像素以上的精度。常規(guī)微視覺系統(tǒng)的一個(gè)重大缺陷是其視頻采樣速率不高，普通的CCD相機(jī)為每秒25幀(PAL制)或每秒30幀(NTSC制)，顯然無法勝任MEMS高達(dá)數(shù)萬、數(shù)十萬、甚至上兆赫茲的高頻振動(dòng)響應(yīng)的運(yùn)動(dòng)細(xì)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(nèi)的運(yùn)動(dòng)，盡管它也可以用于垂直于成像平而后垂向運(yùn)動(dòng)測量，但需要采用多視覺和景深處理等復(fù)雜技術(shù)，而且其測量精度比平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)測量精度低很多。
國外將微視覺和頻閃干涉相結(jié)合的研究在最近幾年才開始，其中，麻省理工學(xué)院MEMS研究中心Freeman教授等人在國防先進(jìn)項(xiàng)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(dòng)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(shù)，因而不僅可以測量平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，而且可以測量平面垂向運(yùn)動(dòng)，測量精度分別達(dá)2.5nm和10nm，最高測量頻率達(dá)100kHz以上，平面內(nèi)空間分辨率為500nm，平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)最大位移大于5m，平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)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(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
針對以上狀況，本實(shí)用新型所提出的微機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)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(shù)相結(jié)合構(gòu)成頻閃干涉視覺三維測量裝置。頻閃干涉視覺測量可以進(jìn)行MEMS表面垂向變形與運(yùn)動(dòng)測量進(jìn)而確定其動(dòng)態(tài)特性，頻閃顯微視覺測量可以完成MEMS平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)測量。從而解決微機(jī)電系統(tǒng)高頻高速運(yùn)動(dòng)的全三維可視化測量，提高測量精度和效率。
本實(shí)用新型的一種微機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)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(tái)上方垂直光路中設(shè)置的CCD相機(jī)、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(shè)置的左側(cè)水平物鏡、遮光閘、右側(cè)水平物鏡、參考平面鏡及與之連接的壓電步進(jìn)電機(jī)，控制部分包括計(jì)算機(jī)、壓電步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器；其特征在于執(zhí)行部分光源采用激光二極管，工作臺(tái)上設(shè)置有壓電激振臺(tái)，控制部分由計(jì)算機(jī)通過電信號分別與信號發(fā)生器、并行接口、串行接口、數(shù)據(jù)采集卡連接，信號發(fā)生器電信號分別連接壓電激振臺(tái)驅(qū)動(dòng)器和延時(shí)發(fā)生器、延時(shí)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，后者電信號連接壓電步進(jìn)電機(jī)；串行接口電信號連接CCD相機(jī)，CCD相機(jī)與數(shù)據(jù)采集卡通過電信號互連。
本裝置性能1、進(jìn)行MEMS靜態(tài)測量和周期性運(yùn)動(dòng)測量(包括可復(fù)現(xiàn)的瞬態(tài)過程)；可以實(shí)現(xiàn)MEMS垂向運(yùn)動(dòng)和平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)的全三維可視化測量；可以實(shí)現(xiàn)MEMS動(dòng)態(tài)特性的可編程自動(dòng)測試與分析。
2、高測量頻率200KHz，垂向運(yùn)動(dòng)測量精度5nm，平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)測量精度10nm，平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)空分率500nm，垂向運(yùn)動(dòng)最大位移10μm，平面內(nèi)最大位移100μm，垂向運(yùn)動(dòng)速度范圍0-2m/s，平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)速度范圍0-10m/s。


圖1為本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為本實(shí)用新型控制部分示意圖，圖3為使用本實(shí)用新型時(shí)的同步控制時(shí)序圖。
具體實(shí)施方式
參照圖1和圖2，本實(shí)用新型包括計(jì)算機(jī)1、CCD相機(jī)2、延時(shí)發(fā)生器3、脈沖電源4、激光二極管5、光纖6、左側(cè)水平物鏡7、透射反射分光鏡8、遮光閘9、右側(cè)水平物鏡10、參考平面鏡11、壓電步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器12、壓電步進(jìn)電機(jī)13、垂直物鏡14、信號發(fā)生器15、壓電激振臺(tái)驅(qū)動(dòng)器16、壓電激振臺(tái)18、工作臺(tái)19和立柱20，壓電激振臺(tái)18上放置待測MEMS試樣17。
圖2表示本裝置的控制部分，計(jì)算機(jī)通過電信號分別與信號發(fā)生器15、并行接口、串行接口、數(shù)據(jù)采集卡連接，它們再電信號連接相應(yīng)部分。
本裝置工作在兩種模式下頻閃干涉視覺測量模式(當(dāng)遮光閘允許激光通過時(shí))；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(shí)現(xiàn)物體表面的可視化測量。兩種模式結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了MEMS高頻高速運(yùn)動(dòng)的全三維可視化超精密測量，結(jié)合測試軟件可完成動(dòng)態(tài)特性自動(dòng)測試與分析。具體實(shí)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(yùn)動(dòng)估計(jì)。通過調(diào)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(chǎn)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(jìn)電機(jī)使參考平面鏡產(chǎn)生不同的微小位移，即產(chǎn)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(jì)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(lì)信號，使被測MEMS表面產(chǎn)生周期性的垂向運(yùn)動(dòng)。采用頻閃觀測技術(shù)，使得頻閃光源的閃光頻率與該周期性激勵(lì)信號的頻率相等，則即使MEMS在該激勵(lì)周期內(nèi)做高頻高速運(yùn)動(dòng)，視覺系統(tǒng)拍攝的總是一幅“凍結(jié)”不變的干涉圖案，每一圖案對應(yīng)激勵(lì)周期內(nèi)的某一確定時(shí)刻。采用壓電工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)參考鏡產(chǎn)生相移，則可獲得一個(gè)激勵(lì)周期內(nèi)某一確定時(shí)刻對應(yīng)的一組干涉圖案。調(diào)整頻閃光源脈沖序列與正弦激勵(lì)信號的相對時(shí)延，可獲得一個(gè)激勵(lì)周期內(nèi)不同時(shí)刻的多組干涉圖案集。通過動(dòng)態(tài)去包裹算法，計(jì)算質(zhì)量圖確定去包裹種子點(diǎn)，可獲得MEMS在激勵(lì)周期內(nèi)不同時(shí)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(nèi)運(yùn)動(dòng)估計(jì)。利用遮光閘遮住射入?yún)⒖计矫骁R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(chǎn)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(lì)和頻閃觀測技術(shù)，則即使MEMS在該激勵(lì)周期內(nèi)做超高頻高速運(yùn)動(dòng)，但視覺系統(tǒng)拍攝的總是一“凍結(jié)”不變的圖像，每一圖像對應(yīng)該激勵(lì)周期內(nèi)的某一相對時(shí)刻。通過調(diào)整頻閃光脈沖與該周期性激勵(lì)信號的相對延時(shí)，將獲得該激勵(lì)周期內(nèi)不同時(shí)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(shí)刻的多幅視覺圖像中估計(jì)出被測MEMS隨時(shí)間變化的平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)變化圖?？蛇_(dá)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(qū)動(dòng)器和視頻采集等子系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)精確同步控制。根據(jù)激勵(lì)信號的周期，計(jì)算機(jī)預(yù)先算出不同的延時(shí)值并控制延時(shí)發(fā)生器，使脈沖光源相對于激勵(lì)信號以精確的相對延時(shí)進(jìn)行同步頻閃照明；同時(shí)計(jì)算機(jī)通過指令控制CCD攝象機(jī)進(jìn)行同步視頻采集，可獲取激勵(lì)周期內(nèi)不同時(shí)刻的干涉圖案或視覺圖像。此外，計(jì)算機(jī)通過控制壓電步進(jìn)電機(jī)使參考平面鏡產(chǎn)生不同的微小位移，可獲取某一時(shí)刻的一組移相干涉圖案集。本裝置計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖如附圖2，同步時(shí)序圖如附圖3。
4、MEMS動(dòng)力學(xué)特性自動(dòng)數(shù)據(jù)采集與模態(tài)分析。根據(jù)用戶選定的周期性激勵(lì)信號，并給出頻閃脈沖光源的相對延時(shí)增量和參考平面鏡的移相增量后，計(jì)算機(jī)將根據(jù)預(yù)先編制好的程序，自動(dòng)完成MEMS器件在激勵(lì)周期內(nèi)各時(shí)刻的全三維可視化運(yùn)動(dòng)測量，即獲得MEMS器件隨時(shí)間變化的三維運(yùn)動(dòng)變化圖；然后計(jì)算機(jī)采用模態(tài)分析技術(shù)，根據(jù)激勵(lì)和響應(yīng)測量結(jié)果，自動(dòng)計(jì)算出MEMS器件的頻率響應(yīng)函數(shù)和共振頻率、振型等模態(tài)參數(shù)，進(jìn)而建立或驗(yàn)證MEMS器件的理論動(dòng)力學(xué)模型，并指導(dǎo)MEMS器件的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
權(quán)利要求1.一種微機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)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(tái)上方垂直光路中設(shè)置的CCD相機(jī)、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(shè)置的左側(cè)水平物鏡、遮光閘、右側(cè)水平物鏡、參考平面鏡及與之連接的壓電步進(jìn)電機(jī)，控制部分包括計(jì)算機(jī)、壓電步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器；其特征在于執(zhí)行部分光源采用激光二極管，工作臺(tái)上設(shè)置有壓電激振臺(tái)，控制部分由計(jì)算機(jī)通過電信號分別與信號發(fā)生器、并行接口、串行接口、數(shù)據(jù)采集卡連接，信號發(fā)生器電信號分別連接壓電激振臺(tái)驅(qū)動(dòng)器和延時(shí)發(fā)生器、延時(shí)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，后者電信號連接壓電步進(jìn)電機(jī)；串行接口電信號連接CCD相機(jī)，CCD相機(jī)與數(shù)據(jù)采集卡通過電信號互連。
專利摘要微機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性三維測量裝置，屬于精密測量領(lǐng)域，解決微機(jī)電系統(tǒng)高頻高速運(yùn)動(dòng)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(jī)、透射反射分光鏡、垂直物鏡、左側(cè)和右側(cè)水平物鏡、遮光閘、參考平面鏡及壓電步進(jìn)電機(jī)；控制部分由計(jì)算機(jī)通過電信號分別與信號發(fā)生器、并行接口、串行接口、數(shù)據(jù)采集卡連接，它們再分別電信號連接相應(yīng)的壓電激振臺(tái)驅(qū)動(dòng)器、延時(shí)發(fā)生器、脈沖電源、壓電步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。本裝置可實(shí)現(xiàn)MEMS器件表面三維形貌垂向運(yùn)動(dòng)及平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)的全三維可視化測量，測量頻率200KHz，垂向運(yùn)動(dòng)測量精度5nm，平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)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(quán)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(xué)