三維微結(jié)構(gòu)高頻動(dòng)態(tài)測(cè)試分析方法與系統(tǒng).pdf

1、自20世紀(jì)80年代以來(lái),微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)已在航空、航天、國(guó)防、生物醫(yī)學(xué)等諸多工程技術(shù)領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用。在MEMS從研究階段步入產(chǎn)業(yè)化階段的過(guò)程中,其動(dòng)態(tài)特性測(cè)試具有十分重要的意義。當(dāng)前在MEMS動(dòng)態(tài)特性測(cè)試方面,主要形成了以時(shí)間平均法、高速顯微攝影法、頻閃成像法、激光多普勒測(cè)振(LDV)等為代表的幾種非接觸式光學(xué)測(cè)試方法。其中,時(shí)間平均法只能得到振動(dòng)物體的振幅分布,而無(wú)法獲取振動(dòng)周期內(nèi)不同時(shí)刻的變形情況;高速顯微攝

2、影成像可測(cè)試的振動(dòng)頻率嚴(yán)格受制于高速相機(jī)的采集上限;LDV每次只能進(jìn)行單點(diǎn)測(cè)試,對(duì)于全場(chǎng)的測(cè)量則需采取同步掃描的方式;而利用頻閃成像技術(shù),不僅可實(shí)現(xiàn)物體振動(dòng)周期內(nèi)不同時(shí)刻的全場(chǎng)變形測(cè)量,而且測(cè)量頻率可達(dá)數(shù)十兆赫茲,因此,被廣泛運(yùn)用于包括MEMS器件在內(nèi)的多種結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性測(cè)試中。由于上述這些測(cè)量方法都無(wú)法實(shí)現(xiàn)MEMS器件三維變形的同時(shí)測(cè)量,因此本文采用頻閃柵線投影測(cè)量技術(shù),研制了一套用于三維微結(jié)構(gòu)的高頻動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)三維變形的

3、同時(shí)測(cè)量,通過(guò)調(diào)整頻閃照明的相位,可獲得器件振動(dòng)周期內(nèi)不同時(shí)刻的變形分布,同時(shí)測(cè)量頻率可達(dá)10MHz。本論文的主要工作和成果如下:
　　 1.提出一種基于遠(yuǎn)心鏡頭成像的投影散斑方法,可測(cè)量物體的離面變形。遠(yuǎn)心鏡頭具有在景深范圍內(nèi)放大倍率恒定的優(yōu)點(diǎn),可消除由于離面變形引起的鏡頭放大倍率的改變。在本文提出的測(cè)量方法中,遠(yuǎn)心鏡頭傾斜放置,增大了投影裝置與成像設(shè)備之間的夾角,提高了系統(tǒng)測(cè)量的分辨率;同時(shí)遠(yuǎn)心鏡頭所具有的低畸變率有利于成像

4、質(zhì)量的改善,進(jìn)而提高測(cè)量結(jié)果的精度。通過(guò)光路分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可知,系統(tǒng)的離面標(biāo)定系數(shù)在像場(chǎng)范圍內(nèi)不是一個(gè)恒定值,因此,提出一種分段標(biāo)定方法來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的標(biāo)定。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性,且測(cè)量精度可達(dá)0.4μm。
　　 2.柵線投影法由于其原理簡(jiǎn)單、操作方便,目前在三維形貌測(cè)量領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在柵線投影測(cè)量中,投影裝置與成像設(shè)備一般放在與參考平面相同的高度上,但是受實(shí)驗(yàn)條件或環(huán)境的制約,這一條件并非總能滿足。本文針對(duì)這種情況,提

5、出了一種基于最小二乘多項(xiàng)式擬合的標(biāo)定方法,該方法原理簡(jiǎn)單、標(biāo)定過(guò)程易于實(shí)現(xiàn),不需要對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的幾何參數(shù)進(jìn)行估算。基于該標(biāo)定方法,用柵線投影法測(cè)量了物體的三維形貌,取得了滿意的結(jié)果。
　　 3.由于在頻閃測(cè)量中,頻閃照明與運(yùn)動(dòng)激勵(lì)需要嚴(yán)格同步,且照明光源的相位精確可調(diào)。因此,本文基于直接數(shù)字合成與現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)技術(shù),研制了一套超高頻激光頻閃同步控制器,以控制信號(hào)的產(chǎn)生以及信號(hào)同步。實(shí)測(cè)表明該同步控制器移相的精度可達(dá)4

6、ns,在運(yùn)動(dòng)頻率為10MHz時(shí)也可測(cè)量25個(gè)運(yùn)動(dòng)相位(占空比為4％),因此完全能滿足MEMS器件高頻振動(dòng)測(cè)試的要求。此外,還研制了相移投影柵線器及相移控制器。
　　 4.提出了一種可測(cè)量三維微結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變形的分析方法。本文利用頻閃照明技術(shù)來(lái)凍結(jié)作周期性運(yùn)動(dòng)的微結(jié)構(gòu),將動(dòng)態(tài)測(cè)量轉(zhuǎn)化為靜態(tài)來(lái)處理。通過(guò)調(diào)整照明光源的相位,可得到器件振動(dòng)周期內(nèi)不同時(shí)刻的條紋圖像。對(duì)于這些采集到的多組準(zhǔn)靜態(tài)相移圖像,用文中提出的方法,可獲得面內(nèi)與離面變形。