專利名稱：一種軸向運動電熱式微鏡的自動測試系統(tǒng)及測試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種軸向運動電熱式微鏡的自動測試系統(tǒng)及測試方法，屬于針對微機電系統(tǒng)的光學(xué)及電子電路設(shè)計領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
微機電系統(tǒng)(Micro-electro-mechanicalsystems,簡稱 MEMS)是利用微加工技術(shù)制造出來的三維裝置，至少包括一個可運動結(jié) 構(gòu)滿足某種機械作用。MEMS器件由于借鑒了集成電路的工藝因此應(yīng)用于很多不同的領(lǐng)域。本世紀(jì)越來越多的傳感器和執(zhí)行器都傾向于米用MEMS技術(shù),其中微機電系統(tǒng)微鏡就是其中一個絕佳的例證。微機電系統(tǒng)驅(qū)動結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的力很小，但足以驅(qū)動鏡面使其發(fā)生偏轉(zhuǎn)。在眾多MEMS微鏡中電熱式微鏡是一款依靠熱形變使鏡子偏轉(zhuǎn)的微機電系統(tǒng)。電熱式微鏡系統(tǒng)主要包括鏡面、支撐臂和驅(qū)動臂三個部分，其中驅(qū)動臂就是依靠電熱效應(yīng)產(chǎn)生形變驅(qū)動鏡子偏轉(zhuǎn)。如圖I所示一維MEMS微鏡具有兩個完全相同的驅(qū)動臂2，同時加載相同的信號，微鏡鏡面I就會發(fā)生軸向的位移運動。一維電熱式微鏡性能測試是一個十分重要的過程，需要利用外部光路及電路系統(tǒng)衡量系統(tǒng)本身的屬性。其中微鏡軸向位移與所加電壓之間的關(guān)系，微鏡晃動位移與加載電壓的關(guān)系、微鏡的延時特性及工作極限頻率是一維電熱式微鏡的幾個基本特性。電熱式微鏡軸向運動控制技術(shù)，應(yīng)用于微型光譜檢測技術(shù)中可以用于鑒定樣品的成分構(gòu)成，可應(yīng)用于食品安全檢測、醫(yī)藥，防恐，環(huán)境監(jiān)測，工業(yè)檢測等領(lǐng)域，與光學(xué)元件配合還可以作為變焦的透鏡使用，應(yīng)用范圍十分廣泛。雖然在MEMS微鏡領(lǐng)域已經(jīng)有一些較為成熟的測試方案，但是尚未有針對一維軸向運動的電熱式微鏡的自動測試方案，尤其是低成本，實現(xiàn)簡單，可靠性較高的測試方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種低成本，實現(xiàn)簡單，可靠性較高的軸向運動電熱式微鏡的自動測試系統(tǒng)及測試方法。文中ro為光電轉(zhuǎn)換器，PSD為位置敏感傳感器，下述均采用英文縮寫。本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案—種軸向運動電熱式微鏡的自動測試系統(tǒng)，其特征在于其包括測試光學(xué)系統(tǒng)和自動測試控制電路系統(tǒng)；所述測試光學(xué)系統(tǒng)包括激光光源、第一分光鏡、第二分光鏡、參考鏡、軸向運動電熱式微鏡裝置、PD和PSD ;激光光源經(jīng)過第一分光鏡后分為兩束激光，一束打到電熱式微鏡裝置上，一束打到參考鏡上；第一分光鏡出射后到微鏡的距離和到參考鏡的距離大致相等；兩束光分別再反射回第一分光鏡并匯聚到第二分光鏡上，第二分光鏡將干涉光分成兩束，一束打在PSD上，一束打在ro上；所述自動測試控制電路系統(tǒng)包括中央處理器，輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，信號整形模塊，信號采集模塊和安全保護(hù)模塊；中央處理器是程序運算的中心，數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊是將中央處理器的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，模擬電壓信號經(jīng)過信號整形模塊得到設(shè)定的驅(qū)動微鏡的信號加載到微鏡上；微鏡軸向位移導(dǎo)致干涉條紋的明暗變化，ro及PSD光電轉(zhuǎn)換后輸出相應(yīng)的電壓值，將信息通過信號采集模塊采集到中央處理器內(nèi)部，中央處理器通過將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機軟件上進(jìn)行下一步處理；安全保護(hù)模塊主要避免系統(tǒng)上電瞬間及工作中瞬時大電壓對微鏡的沖擊。一種軸向運動電熱式微鏡的自動測試方法，包括下述步驟(I)在搭建好的測試光學(xué)系統(tǒng)中，調(diào)整微鏡與參考鏡的角度使參考鏡反射的光和微鏡反射的光在分光鏡處匯聚后發(fā)生干涉，出現(xiàn)干涉條紋；(2)首先調(diào)整參考鏡和微鏡的角度，使在PSD處觀察到的干涉條紋密度最小化；然后利用電熱式微鏡的電熱特性，在電熱式微鏡的驅(qū)動臂上加載不同的峰峰值電壓的三角波信號，范圍根據(jù)待測微鏡的特性而定，等間隔取N個峰峰值；電熱式微鏡在不同電壓的驅(qū)動下軸向運動到不同的位置，從而通過步驟(I)所述光學(xué)系統(tǒng)形成干涉條紋，這些干涉條紋打在ro上后，通過采集系統(tǒng)將信號采集到計算機中，記錄光電轉(zhuǎn)換后信號峰值的個數(shù)，存儲微鏡位移與加載電壓的數(shù)據(jù)值，系統(tǒng)將記錄的數(shù)據(jù)自動擬合出電壓值與微鏡軸向位移的關(guān)系曲線，同時標(biāo)定出微鏡工作的電壓線性區(qū)，每個軸向位移對應(yīng)的電壓值；另外，PSD記錄的干涉光斑中心在軸向運動過程中的變化量；微鏡的晃動可通過計算每個二維干涉圖的亮度中心的偏移來得到；根據(jù)PSD輸出的坐標(biāo)值的變化來標(biāo)定此參數(shù)；存儲并記錄偏移量的數(shù)據(jù)，擬合出不同電壓下干涉光斑的偏移量與驅(qū)動電壓的關(guān)系；(3)給微鏡的一個驅(qū)動臂上加載固定幅值的三角波，改變?nèi)遣ǖ念l率，觀察PSD輸出的信號，采集并存儲PSD輸出的信號波形和加載電壓波形，記錄驅(qū)動信號與PSD輸出信號之間的相位差，通過計算轉(zhuǎn)換為微鏡在不同頻率下的響應(yīng)延時時間；與此同時記錄ro采集信號的幅值，當(dāng)ro信號幅值衰減到0時，讀取加載信號的頻率，此頻率即為微鏡的極限工作頻率。本發(fā)明方法具有以下優(yōu)點I.首次使用干涉的方法在一維軸向運動的電熱式微鏡的性能測試上。2.方法簡單容易重復(fù)實現(xiàn)，可用于其他種軸向位移的微鏡測試上。3.成本低，容易實現(xiàn)。4.光路元件較少，實現(xiàn)簡單，實用性強，一次標(biāo)定參數(shù)后，可針對同一版微鏡使用。5.外圍控制電路簡單，容易重復(fù)實現(xiàn)。6.通過電腦與電路系統(tǒng)的通信，將數(shù)據(jù)上傳至電腦軟件進(jìn)行計算，可自動測出微鏡的幾種特性。


圖I為本發(fā)明電熱式微鏡示意圖；圖2本發(fā)明光路結(jié)構(gòu)和電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖3干涉條紋與輸出波形關(guān)系4光程差變化示意5延時特性示意6光斑中心偏移計算原理圖、
圖中，I、微鏡鏡面；2、驅(qū)動臂；3、中央處理器；4、電源模塊；5、數(shù)模轉(zhuǎn)換器；6、信號處理模塊；7、通信模塊；8、信號采集模塊；9、軸向運動電熱式微鏡；10、安全保護(hù)模塊；11、激光光源；12、第一分光鏡；13、透鏡；14, PSD ;15、參考鏡；16、第二分光鏡;17、PD。
具體實施例方式如圖2所示一種軸向運動電熱式微鏡的自動測試系統(tǒng)，其包括測試光學(xué)系統(tǒng)和自動測試控制電路系統(tǒng).所述測試光學(xué)系統(tǒng)包括激光光源11、第一分光鏡12、第二分光鏡16、參考鏡15、軸向運動電熱式微鏡9、PD17和PSD14 ;激光光源11經(jīng)過第一分光鏡12后分為兩束激光，一束打到軸向運動電熱式微鏡9上，一束打到參考鏡15上；第一分光鏡12出射后到軸向運動電熱式微鏡9的距離和到參考鏡15的距離大致相等；兩束光分別再反射 回第一分光鏡12并匯聚到第二分光鏡16上，第二分光鏡16將干涉光分成兩束，一束打在PSD14上，一束打在PD17上；所述自動測試控制電路系統(tǒng)包括中央處理器3，輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊5，信號整形模塊6，信號采集模塊8和安全保護(hù)模塊10 ;中央處理器3是程序運算的中心，數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊5是將中央處理器3的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，模擬電壓信號經(jīng)過信號整形模塊6得到設(shè)定的驅(qū)動微鏡的信號加載到軸向運動電熱式微鏡9上；微鏡軸向位移導(dǎo)致干涉條紋的明暗變化，PD17及PSD14光電轉(zhuǎn)換后輸出相應(yīng)的電壓值，將信息通過信號采集模塊8采集到中央處理器3內(nèi)部，中央處理器3通過將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機軟件上進(jìn)行下一步處理；安全保護(hù)模塊10主要避免系統(tǒng)上電瞬間及工作中瞬時大電壓對微鏡的沖擊。一種軸向運動電熱式微鏡的自動測試方法，包括下述步驟(I)在搭建好的測試光學(xué)系統(tǒng)中，調(diào)整微鏡與參考鏡的角度使參考鏡反射的光和微鏡反射的光在分光鏡處匯聚后發(fā)生干涉，出現(xiàn)干涉條紋；(2)電熱式微鏡軸向位移與所加電壓關(guān)系的測試?yán)秒姛崾轿㈢R的電熱特性，在電熱式微鏡的驅(qū)動臂上加載不同峰峰值的三角波電壓信號，等間隔取N個值；電熱式微鏡在不同電壓的驅(qū)動下軸向運動到不同的位置，激光光源產(chǎn)生準(zhǔn)直光經(jīng)過透鏡13整形后，經(jīng)過干涉系統(tǒng)干涉條紋打在PSD和上，PD輸出的信號是用于標(biāo)定軸向位移與加載電壓幅值的關(guān)系，PSD是用于標(biāo)定干涉光斑偏移量與所加電壓的關(guān)系；電熱式微鏡加載不同的電壓，ro記錄下干涉條紋的個數(shù)通過軟件算法將干涉條紋的個數(shù)計算并統(tǒng)計出來，另外在記錄干涉條紋的過程中，PSD記錄干涉光斑中心的偏移量，通過軟件算法計算出不同驅(qū)動電壓下的微鏡晃動位移量。最終擬合出微鏡軸向運動位移與所加電壓的關(guān)系曲線和光斑偏移量與加載電壓的關(guān)系曲線。(3)電熱式微鏡系統(tǒng)參數(shù)的標(biāo)定方法標(biāo)定的系統(tǒng)參數(shù)有電熱式微鏡的軸向位移與所加電壓的關(guān)系、干涉光斑偏移量與加載電壓的關(guān)系、延時特性和極限工作頻率；激光進(jìn)入干涉系統(tǒng)后，干涉條紋打在PSD中心位置，此時給微鏡加載峰峰值步進(jìn)的三角波信號，系統(tǒng)自動記錄ro采集到的干涉信號的條紋個數(shù)，通過軟件計算后擬合出相應(yīng)曲線。去除光源透鏡13，微鏡單邊驅(qū)動腳加載固定峰峰值的三角波，改變?nèi)遣ǖ念l率，采集并存儲PSD輸出的信號觀察驅(qū)動信號與PSD輸出信號的相位差，通過系統(tǒng)軟件計算出相應(yīng)頻率下的微鏡響應(yīng)時間，當(dāng)PSD輸出的信號幅值衰減到O，讀取該驅(qū)動信號的頻率，此頻率即為微鏡的極限工作頻率。如圖I所示電熱式MEMS微鏡包括微鏡鏡面I和驅(qū)動臂2，驅(qū)動臂2采用雙金屬材料制作，由于電熱效應(yīng)，不同材料的膨脹系數(shù)不同，在微鏡的驅(qū)動臂2上就會發(fā)生形變，產(chǎn)生應(yīng)力，以此來驅(qū)動微鏡鏡面I的移動。一維軸向運動的微鏡上有兩個完全相同的驅(qū)動臂2，當(dāng)兩個驅(qū)動臂2加載電壓時，驅(qū)動臂2受熱產(chǎn)生形變帶動微鏡鏡面I發(fā)生軸向位移，當(dāng)加載連續(xù)的信號時，微鏡鏡面I發(fā)生軸向的連續(xù)運動。當(dāng)微鏡的兩個驅(qū)動臂2連接到信號整形模塊輸出接口上時，驅(qū)動電路輸出電壓范圍在0-4V之間，峰峰值步進(jìn)40mV的三角波驅(qū)動電壓，讀取不同峰峰值電壓下PSD輸出的信號峰值個數(shù)n，根據(jù)干涉條件的公式，當(dāng)8 =n入(n為整數(shù))，兩束光LI和L2會發(fā)生干涉，5為微鏡的軸向位移，\為激光的波長，如圖4所示。得出n的值即可計算出微鏡軸向位移量。n的值與加載電壓V之間的關(guān)系可建立，S與V之間的關(guān)系即可建立。圖3表示的為干涉光斑變化過程中對應(yīng)的信號變化，干涉光斑中心的明暗變化次 數(shù)即為檢測到的波形的峰值個數(shù)n，根據(jù)n的數(shù)值即可計算出實際微鏡軸向位移的大小。干涉光斑的偏移量計算，首先記錄干涉光斑初始中心位置坐標(biāo)(Vx0，Vy0)，當(dāng)加載不同幅值的驅(qū)動電壓后，干涉光斑的中心發(fā)生偏移，PSD記錄坐標(biāo)為(Vxl，Vyl)。PSD的感光面積為邊長為amm的正方形，電壓輸出范圍為-Vo +Vo。每毫米的電壓變化量A V=2Vo/a,記錄存儲下PSD輸出信號的直流電壓值Vx和Vy，則有X方向和Y方向的實際位移變化量A ax=Vx/ AV, A ay=Vy/ AV,即可得到干涉光斑中心實際的偏移量
Al = sj(Aax\ — Ao.v0)； + (Ac^l — AayOY的值，根據(jù)微鏡鏡面到PSD接收面直接的距離L可以計
算得出微鏡在Y方向偏移的角度0 = arctan(Al/L)，如圖6所示。由于在不同電壓驅(qū)動下干涉光斑中心的偏移量不等，由此即可建立起干涉光斑中心偏移量(或微鏡偏轉(zhuǎn)角度)與所加三角波信號電壓之間的關(guān)系曲線。由于微鏡米用電熱式驅(qū)動，驅(qū)動結(jié)構(gòu)的熱量上升時間與所加信號上升時間存在延遲，即微鏡的延時特性。延時特性與所加信號的頻率有關(guān)，信號頻率越高，延時特性越明顯。當(dāng)信號頻率達(dá)到一定值，微鏡驅(qū)動臂散熱時間慢于加熱時間，驅(qū)動臂來不及響應(yīng)，無法產(chǎn)生相應(yīng)的形變，微鏡不在做相應(yīng)運動，此頻率即是微鏡的工作極限頻率。其響應(yīng)曲線如圖5所示圖中to為所加驅(qū)動信號的響應(yīng)時間，tl為微鏡驅(qū)動臂的響應(yīng)時間，中間時間差即為延時時間。給微鏡單邊加載三角波信號或正弦信號，系統(tǒng)自動記錄加載信號與PSD輸出信號之間的相位差，將其轉(zhuǎn)換到時間單位上即為延時時間。當(dāng)輸出的波形信號幅值逐漸衰減到0時，記錄此時的頻率值即為工作的極限頻率。
權(quán)利要求
1.一種軸向運動電熱式微鏡的自動測試系統(tǒng),其特征在于其包括測試光學(xué)系統(tǒng)和自動測試控制電路系統(tǒng)； 所述測試光學(xué)系統(tǒng)包括激光光源、第一分光鏡、第二分光鏡、參考鏡、軸向運動電熱式微鏡裝置、光電轉(zhuǎn)換器ro和位置敏感傳感器PSD ;激光光源經(jīng)過第一分光鏡后分為兩束激光，一束打到電熱式微鏡裝置上，一束打到參考鏡上；第一分光鏡出射后到微鏡的距離和到參考鏡的距離大致相等；兩束光分別再反射回第一分光鏡并匯聚到第二分光鏡上，第二分光鏡將干涉光分成兩束，一束打在PSD上，一束打在ro上； 所述自動測試控制電路系統(tǒng)包括中央處理器，輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，信號整形模塊，信號采集模塊和安全保護(hù)模塊；中央處理器是程序運算的中心，數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊是將中央處理器的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，模擬電壓信號經(jīng)過信號整形模塊得到設(shè)定的驅(qū)動微鏡的信號加載到微鏡上；微鏡軸向位移導(dǎo)致干涉條紋的明暗變化，ro及PSD光電轉(zhuǎn)換后輸出相應(yīng)的電壓值，將信息通過信號采集模塊采集到中央處理器內(nèi)部，中央處理器通過將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機軟件上進(jìn)行下一步處理；安全保護(hù)模塊主要避免系統(tǒng)上電瞬間及工作中瞬時大電壓對微鏡的沖擊。
2.一種軸向運動電熱式微鏡的自動測試方法，包括下述步驟 (1)在搭建好的測試光學(xué)系統(tǒng)中，調(diào)整微鏡與參考鏡的角度使參考鏡反射的光和微鏡反射的光在分光鏡處匯聚后發(fā)生干涉，出現(xiàn)干涉條紋； (2)首先調(diào)整參考鏡和微鏡的角度，使在PSD處觀察到的干涉條紋密度最小化；然后利用電熱式微鏡的電熱特性，在電熱式微鏡的驅(qū)動臂上加載不同的峰峰值電壓的三角波信號，等間隔取N個峰峰值；電熱式微鏡在不同電壓的驅(qū)動下軸向運動到不同的位置，從而通過步驟(I)所述光學(xué)系統(tǒng)形成干涉條紋，這些干涉條紋打在ro上后，通過采集系統(tǒng)將信號采集到計算機中，記錄光電轉(zhuǎn)換后信號峰值的個數(shù)，存儲微鏡位移與加載電壓的數(shù)據(jù)值，系統(tǒng)將記錄的數(shù)據(jù)自動擬合出電壓值與微鏡軸向位移的關(guān)系曲線，同時標(biāo)定出微鏡工作的電壓線性區(qū)，每個軸向位移對應(yīng)的電壓值；另外，PSD記錄的干涉光斑中心在軸向運動過程中的變化量；微鏡的晃動可通過計算每個二維干涉圖的亮度中心的偏移來得到；根據(jù)PSD輸出的坐標(biāo)值的變化來標(biāo)定此參數(shù)；存儲并記錄偏移量的數(shù)據(jù)，擬合出不同電壓下干涉光斑的偏移量與驅(qū)動電壓的關(guān)系； (3)給微鏡的一個驅(qū)動臂上加載固定幅值的三角波，改變?nèi)遣ǖ念l率，觀察PSD輸出的信號，采集并存儲PSD輸出的信號波形和加載電壓波形，記錄驅(qū)動信號與PSD輸出信號之間的相位差，通過計算轉(zhuǎn)換為微鏡在不同頻率下的響應(yīng)延時時間；與此同時記錄ro采集信號的幅值，當(dāng)ro信號幅值衰減到O時，讀取加載信號的頻率，此頻率即為微鏡的極限工作頻率。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種軸向運動電熱式微鏡的自動測試系統(tǒng)，包括測試光學(xué)系統(tǒng)和自動測試控制電路系統(tǒng)。一種軸向運動電熱式微鏡的自動測試方法，包括電熱式微鏡軸向位移與所加電壓關(guān)系的測試和電熱式微鏡系統(tǒng)參數(shù)的標(biāo)定方法。本發(fā)明首次將干涉方法使用在一維軸向運動電熱式微鏡的性能測試上；方法簡單容易重復(fù)實現(xiàn)，可用于其他種軸向位移的微鏡測試上；成本低，容易實現(xiàn)；光路元件較少，實現(xiàn)簡單，實用性強，一次標(biāo)定參數(shù)后，可針對同一版微鏡使用；外圍控制電路簡單，容易重復(fù)實現(xiàn)；通過電腦與電路系統(tǒng)的通信，將數(shù)據(jù)上傳至電腦軟件進(jìn)行計算，可自動輸出采集計算后的數(shù)據(jù)及相關(guān)特征曲線。
文檔編號G01M11/00GK102721526SQ20121021557
公開日2012年10月10日 申請日期2012年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月27日
發(fā)明者丁金玲, 傅霖來, 蘭樹明, 周亮, 王東琳, 謝會開, 陳巧 申請人:無錫微奧科技有限公司