基於顯微幹涉技術的微機電系統的測試裝置與方法
2023-05-03 03:26:51
專利名稱：基於顯微幹涉技術的微機電系統的測試裝置與方法
技術領域：
本發明涉及一種基於顯微幹涉技術測試微機電系統(MEMS)中結構的三維幾何參數和運動特性的裝置與方法。屬於面向微機電系統的光電非接觸法的幾何量和機械量測試技術。
背景技術：
測試技術在微機電系統(MEMS)研發過程與產業化過程中具有重要的現實意義。目前MEMS的測試手段主要是藉助於傳統的IC測試工具和掃描電子顯微鏡、原子力顯微鏡等昂貴的微觀測試設備，但以上設備並不是針對MEMS測試的專用設備，無法實現MEMS結構動態特性的測試，同時這些設備價格昂貴，測試速度慢，測量範圍小，對測試環境要求苛刻。近年來，隨著MEMS從研究階段逐漸步入產業化階段，對測試系統的需求更為迫切。由於通過幾何尺寸和運動特性的測量，可間接反映出MEMS器件的基本性能，如MEMS微結構三維微運動情況、材料屬性及機械力學參數、MEMS可靠性與器件失效模式、失效機理等，因此MEMS動態測試技術的重要性更為突出。
MEMS結構的測試分為以下幾個部分一是結構平面尺寸的測量；二是結構平面運動的測量；三是結構縱向尺寸的測量；四是結構縱向運動的測量。由於MEMS結構的動態特性決定了MEMS的基本性能，因此動態測試技術在MEMS研發過程中具有重要的意義。
近年來，對微尺度下MEMS器件動態特性的測試方法已經進行了很多有益的探索，並取得了一些有實用價值的研究成果，如應用頻閃成像技術採集周期性高速運動的MEMS活動部件的運動圖像，利用數字圖象處理技術分析其動態特性；通過雷射精密測量中的相移幹涉技術和計算機視覺中的亞像元分析技術等來提高測量精度；利用雷射都卜勒測速技術實現MEMS器件瞬態運動的實時測量等。
在實現MEMS縱向尺寸和周期運動狀態的測量時，目前主要有兩種方法，一是數字圖像的焦平面測量法；一種是顯微幹涉測量法。由於第一種測量方法的精度較低，因此目前的關注點主要是顯微幹涉測量法。
國外的研究機構，如美國麻省理工大學、加州大學伯克利分校和聖地亞國家實驗室報導了一些關於利用顯微幹涉技術進行MEMS動態測試樣機的情況，具有以下特點(1)所採用的幹涉儀主要為麥可遜Michelson幹涉儀和Linik；(2)採用頻閃照明技術實現運動瞬間的捕獲；(3)採用單波長光源(發光二極體LED或半導體雷射LD)作為光源。
通過對現有技術的綜合分析和比較，目前所報導的技術方案主要存在以下幾方面的問題第一、Michelson幹涉顯微鏡的放大倍數不能超過5×，且測量視場小，Linik幹涉顯微鏡難以完全達到對兩個物鏡特性完全相同的要求，容易受到外界的幹擾；第二、對通過顯微幹涉技術所得到的幾何量參數缺乏統一的評價方法；第三、在評價三維耦合運動時，缺乏有效的測量點跟蹤手段；第四、一般只採用單個波長的光進行幹涉測量，系統的抗幹擾性較差；第五、測量裝置系統性不強，擴展能力較差。
發明內容
本發明的目的在於提供一種基於顯微幹涉測試微機電系統(MEMS)幾何參數和動態特性的裝置與方法，它具有抗幹擾性強、測量範圍寬、測量精度高等特點。
本發明是通過下述技術方案加以實現的。基於顯微幹涉技術，進行微機電系統(MEMS)幾何參數和動態特性測試的裝置，該裝置包括由三維微動測試臺、光學顯微鏡、Mirau幹涉儀、相移控制器、頻閃照明驅動裝置、驅動信號切換開關、LED陣列、MEMS結構運動激勵驅動裝置、CCD攝像機、圖像採集卡、數據處理和控制計算機組成，其特徵在於，光源為多波長光源，採用包括由白、紅、黃、綠髮光二極體組成的陣列，並且每個子光源均設有獨立的準直器；顯微幹涉測量採用分光路Mirau幹涉顯微鏡並與相移控制器集成一體。
上述的發光二極體陣列按照等邊三角形相互交叉的方式均勻布置。
上述的顯微幹涉部分，主要由Mirau幹涉顯微鏡和相移控制器組成。
採用上述裝置，基於顯微幹涉技術進行微機電系統(MEMS)幾何量參數和動態特性的測試方法，其過程包括頻閃與驅動信號的同步控制、幹涉顯微鏡的相移控制、不同相移下幹涉圖像的採集、幹涉圖像中形貌突變區域的隔離、對不同相移下幹涉圖像的相移和相位展開計算得到三維表面形貌圖、三維表面形貌圖的傾斜修正、三維表面形貌圖的歸一化分析、測量點的跟蹤，其特徵在於，在對靜止MEMS結構進行幾何參數測量時
(1)將照明裝置設置為連續照明方式，對MEMS器件進行照明；將被測的MEMS器件固定在三維微動測試臺；(2)利用標準PAL制CCD攝像機，獲得MEMS的被測結構靜止狀態的幹涉圖像；調整相移控制器的輸出，使得產生等間距的5個呈臺階變化的相移，在每一相移臺階採集當時的幹涉圖像，共5幅幹涉圖像；(3)依據幹涉條紋所出現的邊緣對幹涉圖像進行邊緣特徵提取，將邊緣所包含，且無幹涉條紋的區域作為形貌突變區域，並將該區域每一像素的灰度值賦為0，以實現形貌突變區域的隔離；(4)利用5步Hariharan相移算法對上述處理得到的5幅幹涉圖像進行綜合分析，得到反映三維形貌的1幅相位圖；利用最小二乘相位展開算法分析該相位圖，得到包含表面形貌信息的三維圖像；(5)對三維形貌圖進行傾斜修正，先以整幅圖像或圖像中人為選擇的局部區域計算出它們的最小二乘平面，並以該最小二乘平面的斜率對整幅圖像進行傾斜修正；(6)對三維圖像進行歸一化評價，實現幾何參數測量；歸一化評價幾何參數準則是兩個平面的平行度為兩表面的最小二乘平面的平行度；立面的垂直度是以它的底面和該立面的最小二乘平面的夾角來進行評價的；平面結構的輪廓線是對各橫截面利用曲線擬合技術得到亞像元精度的邊緣點的連線；輪廓線的包絡中心線是評價平面結構的尺寸、平行度和垂直度的測量線。
在對運動MEMS結構進行運動特性測試時(1)將被測的MEMS器件固定在三維微動測試臺，並將MEMS器件中運動結構的激勵輸入端與三維微動測試臺的電極引腳相連；將照明裝置設置為頻閃照明方式，對MEMS器件進行頻閃照明，頻閃信號的周期與運動激勵信號的周期相同，且保持固定的延遲時間，因此MEMS結構的周期運動在頻閃照明下基本屬於「凍結」狀態；(2)設置同一相位頻閃的次數，使標準PAL制CCD攝像機進行多次曝光，進行曝光的積分效應，獲得MEMS的被測結構靜止狀態的幹涉圖像，調整相移控制器的輸出，使得產生等間距的5個呈臺階變化的相移，在每一相移臺階採集當時的幹涉圖像，共5幅幹涉圖像，通過幹涉圖像中形貌突變區域的隔離，並進行5步Hariharan相移算法和最小二乘相位展開算法的計算，可得到MEMS被測結構的在上述運動周期所對應的固定時刻下，即周期運動相位的表面形貌的三維圖像；(3)調整頻閃信號與運動激勵信號的延遲時間，即調整所「凍結」的周期運動相位，重複步驟(2)，即可得到MEMS被測結構在不同周期運動相位的表面形貌的三維圖像；延遲時間與一個運動周期中所採集三維圖像的數量相對應，通過不斷調整延遲時間，可得到反映MEMS結構運動特性的三維圖像序列；(4)通過結合幹涉圖像中形貌突變區域的隔離結果，對不同周期運動相位下表面形貌的三維圖像序列進行空間域分析和評價，可得到一定驅動頻率下MEMS結構的三維周期運動狀況；其評價準則為當圖像中形貌突變區域不影響運動結構三維圖像的重構時，依據運動結構的三維圖像提取出結構平面特徵輪廓線，通過圖像匹配確定該輪廓線在整幅圖像中的相對位置，從而得到結構的平面運動位移，同時依據結構平面特徵輪廓線建立相對測量坐標系，得到所選定的測量點在每幅圖像中所處的相對位置，比較三維圖像序列中測量點所對應各相對位置像素的高度信息，得到結構的離面(垂直方向)運動位移；當圖像中形貌突變區域使得運動結構三維圖像不能完全重構時，依據幹涉圖像中形貌突變區域的隔離結果提取出結構平面特徵輪廓線，通過圖像匹配確定該輪廓線在整幅圖像中的相對位置，從而得到結構的平面運動位移，同時依據結構平面特徵輪廓線建立相對測量坐標系，得到所選定的測量點在每幅圖像中所處的相對位置，比較所重構的局部三維圖像序列中測量點所對應各相對位置像素的高度信息，得到結構的離面(垂直方向)運動位移；(5)以一定的步距調整驅動信號的頻率，使得MEMS結構以不同的頻率進行運動，重複步驟(2)(3)和(4)，可得到結構在一系列驅動頻率下的三維運動的詳細特徵，通過綜合分析不僅可得到結構的諧振頻率和品質因數，還可得到結構的三維運動狀態全過程。
本發明的優點在於採用虛擬儀器的方式組建內部的功能模塊，便於系統的功能調整和擴展；在連續光照明方式下，採用分光路Mirau幹涉顯微鏡和相移器件實現精度高、抗幹擾能力強的表面形貌檢測，並採用歸一化的方法進行幾何量參數的評定；在頻閃照明的方式下，利用標準PAL制CCD攝像機實現MEMS中高速周期運動結構的瞬間圖像的採集，並輔以相移算法、相位解包裹算法及空間域分析，以解析的表面輪廓建立參考測量系，得到結構的三維運動特性；採用快速的光源切換，實現靈活的多波長幹涉，提高測量的範圍。
圖1利用頻閃照明實現動態特性測試的基本原理示意圖；圖2基於顯微幹涉技術的MEMS動態測試裝置系統框圖；圖3納米級三角形臺階的幹涉圖像；圖4包含納米級三角形臺階三維形貌特徵的相位圖；圖5納米級三角形臺階的表面形貌重構的局部三維圖像；圖6傾斜度修正後三角形臺階的局部三維形貌圖；圖7為實現亞像元精度對三角形臺階邊緣進行曲線擬合的示意圖；圖8 MEMS諧振器在運動相位30°下零相移的幹涉圖像；圖9 MEMS諧振器在運動相位30°下λ/8相移的幹涉圖像；圖10 MEMS諧振器在運動相位120°下零相移的幹涉圖像；圖11 MEMS諧振器在垂直方向的運動曲線圖；圖12頻閃光源中發光二極體LED陣列圖。
具體實施例方式
實施例1本實施例主要關注在連續照明條件下，利用相移顯微幹涉技術實現MEMS結構三維幾何尺寸和形位誤差等幾何量參數的測試。
測量與控制計算機通過GPIB控制卡，控制任意波形發生器輸出一直流電壓驅動信號，使得頻閃照明裝置工作在連續照明狀態下，MEMS結構放置在光學顯微鏡下的三維微動測試臺上。
利用相移控制器控制Mirau幹涉儀的物距，調整的間距為λ/8，λ為幹涉光源的波長，等間距調整4次，包括初始點，可依次得到等間距的5個相移，分別為0、π/2、π、3π/2、2π，在每個相移差利用計算機控制圖像採集卡採集CCD攝像機獲取的MEMS器件的幹涉圖像，共5幅圖像。如圖3所示為納米三角形臺階在0相移下的顯微幹涉圖像，其它4幅幹涉圖像與圖3基本相似，只是幹涉條紋有一定的錯位。利用5步Hariharan相移算法對5幅幹涉圖像進行相位提取，得到如圖4所示的包含納米三角形臺階三維形貌的相位圖。在5步Hariharan相移算法中，計算相位採用的公式為＝arctan[(2I1-2I3)/(-I0+2I2-I4)]，I0至I4分別為5幅幹涉圖像中對應位置的光強。
利用基於快速離散餘弦變換的最小二乘相位展開算法，尋找已展開的相鄰像素點間相位差值與該相鄰像素點間未展開相位差值之差的最小二乘解，得到MEMS器件靜止狀態下表面形貌，重構得到納米三角形臺階的三維圖形，如圖5所示。由於工作檯和被測對象的傾斜是不可避免的，從圖5可明顯看出，為了真實反映表面形貌的變化，運用傾斜修正算法，對圖5進行傾斜修正處理，圖6所示為傾斜度修正後的納米三角形臺階三維形貌的局部圖。
傾斜修正算法有兩種實現方式(1)在預設情況下，對整個圖像進行分析，先計算出圖像中每一行的斜率，然後計算出每一列的斜率，最終計算出整個視場表面形貌的最小二乘平面，依據該平面的斜率來進行圖像數據的修正；(2)在圖像上人為地選擇特定的區域，針對該選定區域的表面形貌以與(1)相同的方法的計算出最小二乘平面的斜率，並進行相應的數據修正，這將有助於建立相應的測量基準面，實現三維幾何量的歸一化測量。圖6為對整個圖像進行傾斜度修正的結果，三角形納米臺階的標準高度為44nm，測量結果為43.56nm。
為了實現MEMS結構幾何量測量的歸一化，具體實施中具有以下特點(1)兩個表面的平行度的評價來自於兩表面的最小二乘平面的平行度，如圖6所示的納米臺階的上下表面；(2)側壁的垂直度由底面和側壁的最小二乘平面的夾角來評價，如圖6所示的納米臺階下表面與向上表面過渡的側面；(3)逐行得到三維圖像的截面，如圖7所示，針對相應橫截面上輪廓線利用三次曲線擬合技術得到亞像元精度的邊緣點，連接各截面的邊緣點，確定表面平面結構的輪廓線；(4)對MEMS結構平面幾何量參數的評價都是在步驟(3)所得到的亞像元精度的輪廓線的基礎上進行的，即計算出輪廓線的包絡中心線，並將其作為評價平面尺寸、平行度、垂直度等幾何量參數的基準線。
實施例2本實施例主要關注在頻閃照明條件下，綜合利用相移顯微幹涉技術、圖像空間域分析及基於表面輪廓特徵的測量相對參考坐標系建立，實現MEMS結構三維運動特性的測量。
MEMS結構運動激勵驅動設置相應的參數並啟動周期性正弦驅動信號，頻率為10kHz，偏置電壓為20V，峰峰值為160V，驅動MEMS諧振器產生周期平面運動，同時在垂直方向上產生一定的耦合運動。
利用相移控制器控制Mirau幹涉儀處於初始物距狀態，初始時輸出與運動激勵信號同步的頻閃照明控制信號，即頻閃脈衝的上升沿為正弦驅動信號的0°相位上，頻閃信號的脈衝寬度為1.5μs，在1500個運動周期的每一0°相位上進行1次頻閃曝光，頻閃照明結束後計算機採集這一階段的幹涉圖像；然後調整相移控制器，使得幹涉儀的物距以λ/8的步距變化一步，即產生π/2固定的相移，繼續輸出與運動激勵信號同步的頻閃照明控制信號，1500次頻閃照明結束後計算機採集這一階段的幹涉圖像；繼續以λ/8等步距地調整幹涉儀的物距，並同步輸出頻閃信號，次數為3次，每次得到一幅幹涉圖像，包括上2步的幹涉圖像，共得到5幅幹涉圖像，對5幅幹涉圖像進行5步Hariharan相移算法的相位提取和最小二乘相位展開，可得到MEMS結構運動在初始相位下(0°)時表面形貌的三維圖。最後利用相移控制器控制Mirau幹涉儀重新回到初始物距狀態。
以一定增量30°增加頻閃照明控制信號與運動激勵信號的延遲相位，並在每一次兩信號的延遲相位調整後重複以上所述的幹涉儀的相移控制，並得到每一相移的5幅幹涉圖像。圖8為MEMS諧振器在同一運動相位下(0°)零相移的幹涉圖像，圖9為MEMS諧振器在同一運動相位下(0°)λ/8相移的幹涉圖像，可看出因相移的變化(調整物距)引起的幹涉條紋位置變化，而不存在平面運動。經過5步Hariharan相位提取和基於快速離散餘弦變換的最小二乘相位展開處理後的表面形貌的三維圖像。頻閃照明控制信號與運動激勵信號的相位差達到一個周期後，就得到了MEMS結構運動在不同相位下(0-360°)時表面形貌的三維圖像，共12幅。圖11為MEMS諧振器上1點的周期垂直運動情況。
頻閃照明控制信號與運動激勵信號的相位延遲增量可以是等間距的，如上述情況，也可以是非等間距的，其大小也可以進行靈活的調整。相位延遲增量越小，將在一個周期內能夠在更多的運動相位下得到MEMS結構的表面形貌的三維圖像。如果相位延遲增量設定為10°，將對一個運動周期等間距採集36幅圖像，更能反映出MEMS的動態特性。
對MEMS結構表面形貌的三維圖像序列等效為灰度值反映高度信息的平面圖像，通過相位相關和二次曲面擬合比較平面特徵在各幅圖像中的相對位置，可得到結構的平面運動情況；另外，依據所提取的平面的特徵邊緣，可建立相對的測量坐標系，得到所選定的測量點在每幅圖像中所處的相對位置，比較三維圖像序列中測量點所對應各相對位置像素的高度信息，得到結構的離面(垂直方向)運動位移。
下式為相位相關運算的基本公式。
F1(,)F2*(,)|F1(,)F2*(,)|ej2(x0+y0)...(1)]]>其中，F1和F2分別為兩幅圖像(不同運動相位所採集的圖像)的傅立葉變換的結果。由(1)式及傅立葉變換的理論可知，該相位譜包含了兩幅圖像的位置平移信息，而且它是一個頻譜幅度在全頻域內為1的功率譜。對(1)式進行逆傅立葉變換可知，相位相關函數是一個位於兩圖位置偏移(x0，y0)處的δ脈衝函數，也稱之為相關峰。當兩幅圖像完全相似時，其值為1，反之為0。因此，在本發明中利用兩幅圖像的相位相關運算結果確定圖像的位移偏移量，以此來確定運動狀況。
本發明採用二次曲面擬合進行亞像元的分析。曲面擬合法的思想是以像元級上的最佳匹配點為中心，按相似性度量進行曲面擬合，然後通過相應的數學方法計算得到極值點的精確位置。本發明採用相位相關的相關係數作為相似性度量特徵，選擇二次曲面作為擬合函數，在計算中採用多變量最小二乘回歸法確定極值點的精確位置。
二次曲面擬合函數採用公式為PC(x，y)＝ax2+by2+cxy+dx+ey+f其中，PC(x，y)為對應於位置(x，y)的相位相關值。上述函數可以寫成如下形式AX＝B式中，A=x02y02x0y0x0y01x12y12x1y1x1y11..................x82y82x8y8x8y81]]>X=abcdef]]>B=PC0PC1...PC8]]>本發明在擬合計算中採用多變量最小二乘回歸法，使得計算簡單、準確。在計算過程中，將向量X作為回歸係數，並假設隨機變量B的取值依賴於矩陣A中的自變量，回歸係數的求取即為擬合函數的係數。在求得擬合函數的係數之後，可以利用下式求得亞像元精度的圖像偏移的精確位置。
x=2db-cec2-4ab]]>y=2ae-dcc2-4ab]]>
在以上情況下，通過測量被測表面引起的位相來測量表面形貌的。由於光波振動的周期性，幹涉光強中被位相調製的幹涉項是被測位相的周期性函數，因此在一般情況下只能得到被測位相關於π的模，被測位相的測量範圍被限制在π範圍內，相移幹涉法可將位相測量範圍擴大一倍，相應地表面形貌深度測量範圍也擴大了一倍，但深度測量範圍仍然是相當狹窄的。如果表面形貌是連續變化的，那麼通過相位展開處理，仍然能夠得到幾微米的深度測量範圍，這隻與幹涉儀中光源的相干長度是相關的，但是如果表面形貌在高度上存在突變，整個視場的三維圖像不能正確解析出，那麼就不能得到整個視場的表面形貌。當高度上的突變達到一定時，在突變區域將不能同時觀察到幹涉條紋的存在，如圖8中所示的底面就不能觀察到幹涉條紋，該區域將使得相位提取和展開算法不能正確執行。因此可依據幹涉條紋所出現的邊緣對幹涉圖像進行邊緣特徵提取，將邊緣所包含，且無幹涉條紋的區域作為形貌突變區域，並將該區域每一像素的灰度值賦為0，該區域不參與相位提取和展開計算，即實現形貌突變區域的隔離，那麼可得到除了高度突變區域的表面三維形貌。當所重構的區域表面三維形貌能夠進行運動平面結構的輪廓提取時，通過以上步驟就完全能夠得到MEMS結構的三維運動特性。然而，當所重構的區域表面三維形貌不足以進行運動平面結構的輪廓提取時，如圖8所示，由於底面沒有幹涉條紋，就不能得到諧振器中運動部件相對底面的高度，三維圖像序列不能得到運動部件相對底面的橫截面，即不能提取出平面運動結構的輪廓線。即使如此，可以直接從幹涉條紋的在整個圖像的分布情況對高度突變的特徵提取出相應的表面輪廓線。如圖10所示為MEMS諧振器在運動相位120°下零相移的幹涉圖像，與圖8和圖9相比，可從圖10中所示間距的變化分辨出平面運動的存在，但是由於中間結構相對邊緣的高度差較大，因此只能先直接對幹涉圖像進行結構的邊緣提取，然後通過比較其他運動相位的幹涉圖像來檢測邊緣的移動位置，此時由於幹涉條紋的存在，邊緣計算的誤差較大。在這種情況下，從幹涉條紋直接提取出的表面輪廓線同樣可用於建立測量相對坐標系，如圖10中所表示的兩條輪廓線，得到所選定的測量點在每幅圖像中所處的相對位置，比較局部重構三維圖像序列中測量點所對應各相對位置像素的高度信息，得到結構的離面(垂直方向)運動位移。
下面解釋利用平面輪廓特徵建立測量相對坐標系，實現選定測量點的跟蹤，最終完成離面運動測量。在依據三維圖像序列高度的變化來進行垂直方向運動測量時，即使被測的結構在設計時只有垂直方向的運動，但是由於x、y、z三個坐標方向運動的相互耦合，實際情況下被測結構的測量點在垂直方向運動時，或多或少都在xy平面上存在一定的耦合運動。而且在大多數情況下，被測結構一般在x、y、z三個坐標方向都存在較大幅度的運動，如圖8、圖9和圖10所示就是被測結構在xy平面的運動幅度達到幾微米，z方向存在幾十納米的耦合運動。在以上情況下，如果不考慮平面運動的存在，那麼垂直方向運動測量是對三維圖像上與圖像邊緣位置固定點的灰度值，由於圖像邊緣位置固定點不能對應到實際測量點，這樣就不能正確得到所選擇測量點在垂直方向的真實運動特性。
為了解決這一問題，本發明在前面所述的三維圖像序列的平面邊緣特徵提取和幹涉圖像中形貌突變區域的隔離結果的基礎上，依據所提取的邊緣建立測量點跟蹤的參考坐標系，對初始選擇的測量點先計算出與邊緣構成參考坐標系的相對位置，然後在對三維圖像序列進行垂直運動特性的空間域提取時，評價點都是選擇與參考坐標系的相對位置固定的測量點，這樣就保證了測量點的跟蹤。
實施例3由於發光二極體LED所發出光的相干長度小，為了擴大測量範圍，提高測量的適應範圍，本發明提出的基於顯微幹涉技術的MEMS動態測試裝置可完成多波長和白光的幹涉測量。
為了實現以上所述目標，在裝置中包括兩個部分驅動信號切換開關和發光二極體LED陣列。在以上硬體部分的支持下，各種波長的LED(包括白光LED)的發光狀態可通過驅動信號切換開關靈活控制，而且光源部分在切換時不存在機械移動部件，保證了反覆光源切換的位置一致性，實現了更高的測量重複性。在圖12所示的LED陣列中，紅色、綠色、黃色和白色的LED各三個，通過一定的位置排布保證光學顯微鏡視場內照明的均勻性，通過驅動信號切換開關可分別將不同顏色的LED點亮，實現多波長的幹涉和白光幹涉。
為了進一步提高光學顯微鏡視場的照明的均勻性，每個LED所發出的光在進入照明光路中都進行了各自的準直處理。LED所發出的光為發散的，考慮到LED的尺寸較小和陣列的具體排布，對每個LED都採用單獨簡單的準直處理，即採用球面反射鏡，LED的發光點調整到球面的中心點。
權利要求
1.一種基於顯微幹涉技術的微機電系統的測試裝置，該裝置包括由三維微動測試臺、光學顯微鏡、Mirau幹涉儀、相移控制器、頻閃照明驅動裝置、驅動信號切換開關、LED陣列、MEMS結構運動激勵驅動裝置、CCD攝像機、圖像採集卡、數據處理和控制計算機組成，其特徵在於光源為多波長光源，採用包括由白、紅、黃、綠髮光二極體組成的陣列，並且每個子光源均設有獨立的準直器；顯微幹涉測量採用分光路Mirau幹涉顯微鏡並與相移控制器集成一體。
2.按權利要求1所述的基於顯微幹涉技術的微機電系統的測試裝置，其特徵在於發光二極體陣列按照等邊三角形相互交叉的方式均勻布置。
3.按權利要求1所述的基於顯微幹涉技術的微機電系統的測試裝置，其特徵在於顯微幹涉部分，主要由Mirau幹涉顯微鏡和相移控制器組成。
4.採用按權利要求1所述的基於顯微幹涉技術的微機電系統的測試裝置，進行測試的方法，其過程包括頻閃與驅動信號的同步控制、幹涉顯微鏡的相移控制、不同相移下幹涉圖像的採集、幹涉圖像中形貌突變區域的隔離、對不同相移下幹涉圖像的相移和相位展開計算得到三維表面形貌圖、三維表面形貌圖的傾斜修正、三維表面形貌圖的歸一化分析、測量點的跟蹤，其特徵在於在對靜止MEMS結構進行幾何參數測量時(1)將照明裝置設置為連續照明方式，對MEMS器件進行照明；將被測的MEMS器件固定在三維微動測試臺；(2)利用標準PAL制CCD攝像機，獲得MEMS的被測結構靜止狀態的幹涉圖像；調整相移控制器的輸出，使得產生等間距的5個呈臺階變化的相移，在每一相移臺階採集當時的幹涉圖像，共5幅幹涉圖像；(3)依據幹涉條紋所出現的邊緣對幹涉圖像進行邊緣特徵提取，將邊緣所包含，且無幹涉條紋的區域作為形貌突變區域，並將該區域每一像素的灰度值賦為0，以實現形貌突變區域的隔離；(4)利用5步Hariharan相移算法對上述處理得到的5幅幹涉圖像進行綜合分析，得到反映三維形貌的1幅相位圖；利用最小二乘相位展開算法分析該相位圖，得到包含表面形貌信息的三維圖像；(5)對三維形貌圖進行傾斜修正，先以整幅圖像或圖像中人為選擇的局部區域計算出它們的最小二乘平面，並以該最小二乘平面的斜率對整幅圖像進行傾斜修正；(6)對三維圖像進行歸一化評價，實現幾何參數測量；歸一化評價幾何參數準則是兩個平面的平行度為兩表面的最小二乘平面的平行度；立面的垂直度是以它的底面和該立面的最小二乘平面的夾角來進行評價的；平面結構的輪廓線是對各橫截面利用曲線擬合技術得到亞像元精度的邊緣點的連線；輪廓線的包絡中心線是評價平面結構的尺寸、平行度和垂直度的測量線；在對運動MEMS結構進行運動特性測試時(1)將被測的MEMS器件固定在三維微動測試臺，並將MEMS器件中運動結構的激勵輸入端與三維微動測試臺的電極引腳相連；將照明裝置設置為頻閃照明方式，對MEMS器件進行頻閃照明，頻閃信號的周期與運動激勵信號的周期相同，且保持固定的延遲時間，因此MEMS結構的周期運動在頻閃照明下基本屬於「凍結」狀態；(2)設置同一相位頻閃的次數，使標準PAL制CCD攝像機進行多次曝光，進行曝光的積分效應，獲得MEMS的被測結構靜止狀態的幹涉圖像，調整相移控制器的輸出，使得產生等間距的5個呈臺階變化的相移，在每一相移臺階採集當時的幹涉圖像，共5幅幹涉圖像，通過幹涉圖像中形貌突變區域的隔離，並進行5步Hariharan相移算法和最小二乘相位展開算法的計算，可得到MEMS被測結構的在上述運動周期所對應的固定時刻下，即周期運動相位的表面形貌的三維圖像；(3)調整頻閃信號與運動激勵信號的延遲時間，即調整所「凍結」的周期運動相位，重複步驟(2)，即可得到MEMS被測結構在不同周期運動相位的表面形貌的三維圖像；延遲時間與一個運動周期中所採集三維圖像的數量相對應，通過不斷調整延遲時間，可得到反映MEMS結構運動特性的三維圖像序列；(4)通過結合幹涉圖像中形貌突變區域的隔離結果，對不同周期運動相位下表面形貌的三維圖像序列進行空間域分析和評價，可得到一定驅動頻率下MEMS結構的三維周期運動狀況；其評價準則為當圖像中形貌突變區域不影響運動結構三維圖像的重構時，依據運動結構的三維圖像提取出結構平面特徵輪廓線，通過圖像匹配確定該輪廓線在整幅圖像中的相對位置，從而得到結構的平面運動位移，同時依據結構平面特徵輪廓線建立相對測量坐標系，得到所選定的測量點在每幅圖像中所處的相對位置，比較三維圖像序列中測量點所對應各相對位置像素的高度信息，得到結構的離面(垂直方向)運動位移；當圖像中形貌突變區域使得運動結構三維圖像不能完全重構時，依據幹涉圖像中形貌突變區域的隔離結果提取出結構平面特徵輪廓線，通過圖像匹配確定該輪廓線在整幅圖像中的相對位置，從而得到結構的平面運動位移，同時依據結構平面特徵輪廓線建立相對測量坐標系，得到所選定的測量點在每幅圖像中所處的相對位置，比較所重構的局部三維圖像序列中測量點所對應各相對位置像素的高度信息，得到結構的離面(垂直方向)運動位移；(5)以一定的步距調整驅動信號的頻率，使得MEMS結構以不同的頻率進行運動，重複步驟(2)(3)和(4)，可得到結構在一系列驅動頻率下的三維運動的詳細特徵，通過綜合分析不僅可得到結構的諧振頻率和品質因數，還可得到結構的三維運動狀態全過程。
全文摘要
本發明公開了一種基於顯微幹涉技術的微機電系統的測試裝置與方法。所述的裝置主要包括由光學顯微鏡、Mirau幹涉儀、相移控制器、頻閃照明驅動裝置、LED陣列、MEMS結構運動激勵裝置組成，其特徵在於光源採用二極體陣列，且每個子光源均有獨立的準直器；顯微幹涉採用分光路Mirau幹涉顯微鏡並與相移控制器集成一體。所述的測試方法，其過程包括頻閃與驅動信號的同步控制、幹涉圖像中突變區域的隔離、三維表面形貌圖的重構與傾斜修正、三維表面形貌圖的歸一化分析、測量點的跟蹤。本發明的優點在於採用虛擬儀器的方式以便於系統的功能調整和擴展；在連續光和頻閃照明方式下，採用分光路Mirau幹涉顯微鏡和相移器件實現精度高、抗幹擾能力強的三維運動特性的測試。
文檔編號G01B9/02GK1546943SQ20031010713
公開日2004年11月17日 申請日期2003年11月28日 優先權日2003年11月28日
發明者胡小唐, 馮亞林, 胡曉東, 靳世久, 傅星, 郝一龍 申請人:天津大學