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自20世纪80年代以来,微电子机械系统(MEMS)技术已在航空、航天、国防、生物医学等诸多工程技术领域得到了日益广泛的应用。在MEMS从研究阶段步入产业化阶段的过程中,其动态特性测试具有十分重要的意义。当前在MEMS动态特性测试方面,主要形成了以时间平均法、高速显微摄影法、频闪成像法、激光多普勒测振(LDV)等为代表的几种非接触式光学测试方法。其中,时间平均法只能得到振动物体的振幅分布,而无法获取振动周期内不同时刻的变形情况;高速显微摄影成像可测试的振动频率严格受制于高速相机的采集上限;LDV每次只能进行单点测试,对于全场的测量则需采取同步扫描的方式;而利用频闪成像技术,不仅可实现物体振动周期内不同时刻的全场变形测量,而且测量频率可达数十兆赫兹,因此,被广泛运用于包括MEMS器件在内的多种结构的动态特性测试中。由于上述这些测量方法都无法实现MEMS器件三维变形的同时测量,因此本文采用频闪栅线投影测量技术,研制了一套用于三维微结构的高频动态测试系统,可实现全场三维变形的同时测量,通过调整频闪照明的相位,可获得器件振动周期内不同时刻的变形分布,同时测量频率可达10MHz。本论文的主要工作和成果如下:
1.提出一种基于远心镜头成像的投影散斑方法,可测量物体的离面变形。远心镜头具有在景深范围内放大倍率恒定的优点,可消除由于离面变形引起的镜头放大倍率的改变。在本文提出的测量方法中,远心镜头倾斜放置,增大了投影装置与成像设备之间的夹角,提高了系统测量的分辨率;同时远心镜头所具有的低畸变率有利于成像质量的改善,进而提高测量结果的精度。通过光路分析与实验验证可知,系统的离面标定系数在像场范围内不是一个恒定值,因此,提出一种分段标定方法来实现系统的标定。实验验证了该方法的有效性,且测量精度可达0.4μm。
2.栅线投影法由于其原理简单、操作方便,目前在三维形貌测量领域得到了广泛的应用。在栅线投影测量中,投影装置与成像设备一般放在与参考平面相同的高度上,但是受实验条件或环境的制约,这一条件并非总能满足。本文针对这种情况,提出了一种基于最小二乘多项式拟合的标定方法,该方法原理简单、标定过程易于实现,不需要对测量系统的几何参数进行估算。基于该标定方法,用栅线投影法测量了物体的三维形貌,取得了满意的结果。
3.由于在频闪测量中,频闪照明与运动激励需要严格同步,且照明光源的相位精确可调。因此,本文基于直接数字合成与现场可编程门阵列(FPGA)技术,研制了一套超高频激光频闪同步控制器,以控制信号的产生以及信号同步。实测表明该同步控制器移相的精度可达4ns,在运动频率为10MHz时也可测量25个运动相位(占空比为4％),因此完全能满足MEMS器件高频振动测试的要求。此外,还研制了相移投影栅线器及相移控制器。
4.提出了一种可测量三维微结构动态变形的分析方法。本文利用频闪照明技术来冻结作周期性运动的微结构,将动态测量转化为静态来处理。通过调整照明光源的相位,可得到器件振动周期内不同时刻的条纹图像。对于这些采集到的多组准静态相移图像,用文中提出的方法,可获得面内与离面变形。耳机振动膜和微悬臂梁试样的动态实验验证了该方法的有效性。
5.分别编写了基于微结构动态测试实验的系统控制与图像采集软件以及基于图像分析的图像处理软件。由于在控制与采集软件中,图像实时显示、栅线投影相移器的移动与图像采集需要同步进行,因此,采用了多线程技术解决这一问题。而在图像分析软件中,主要分为两大功能,即用于计算离面变形的相移算法与计算面内变形的数字图像相关算法。