MEMS动态特性测试技术研究现状及发展趋势

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    微机电系统(MEMS)是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的新兴学科。随着MEMS从研究阶段逐渐步入产业化阶段，其对测试系统的需求也越来越迫切，特别是对动态特性的测试技术。近年来，MEMS动态测试技术得到了国内外许多MEMS研究机构的高度重视。

    与宏观机械结构一样，MEMS动态测试包括振动激励、振动测量和模态分析等三个基本环节。通过某种激励力作用在被测MEMS器件上，使其产生振动响应，通过测量激励和响应，进而确定MEMS器件的固有频率等模态参数，从而建立或验证MEMS器件的理论模型，并通过结合有限元方法和CAD技术，最终指导MEMS器件的结构优化设计。尽管扫描隧道显微镜(STM,scanning tunneling microscope)和原子力显微镜(AFM,atomic force microscope)的发明解决了原子级尺度的测量问题，但由于这些测量只能在静态环境下进行，因而只能获取MEMS和其它微结构的静态几何尺寸和表面形貌等参数，而无法胜任MEMS在高频高速运动下的动力学特性测试。

    激光多普勒振动仪(LDV,Laser Doppler Vibrometer)是一类应用最广的非接触式无损测量设备，目前已具备纳米级的测量精度，在宏观结构和微型结构的动态测量方面都获得了广泛应用。在大多数情况下，LDV一次只能测量被测结构表面单个点的运动情况，通过实时测量该点位移随时间的变化曲线，可以很容易获得被测结构在该点处的动力学特性（如频率响应函数）。为了获得整个结构的动力学特性（如被测结构的振动模态），需要对被测结构表面各点依次进行激振测量，从而需要一套扫描系统与之相配合。目前有两种方法可实现这种扫描：一是固定激光束，使用双轴工作台并将被测件固定在工作台上，通过移动工作台使被测件相对于激光束进行扫描运动；二是固定被测件，采用扫描激光多普勒测振仪(SLDV,Scanning Laser DopplerVibrometer)，通过旋转或偏转一个镜面使激光束作扫描运动。这两种方法在面内的测量精度取决于两个要素：一是激光束在被测表面形成的最小聚光光斑尺寸（目前一般为10μm），二是扫描工作台或扫描镜的运动控制精度（目前一般为5μm），因而这类系统一般只能用于微米级的测量。此外，在扫描工作台方式中，工作台本身的振动也是一个问题，而且尽管步进电机本身的速度很快，达到100mm/s以上，但点到点的定位时间却需数百毫秒，从而限制了测量的扫描速度。

    目前国外已有商品化的LDV和SLDV出售，Polytech公司是主要的生产商。利用LDV和SLDV进行MEMS动态特性的研究报道较多。总的来说，LDV（包括SLDV）的优点主要体现在其单点测量精度很高，能以纳米级（甚至亚纳米级）精度实现频率达兆赫兹以上的平面垂向(out-of-plane)运动测量，但由于无法一次性同时测量被测表面的多点平面垂向运动，只能采用扫描方式，因而不可避免地引入了扫描控制难度和测量分析误差等问题。

    微视觉(micro vision)或广义而言的机器视觉(machine vision)是另一类应用很广的非接触式无损测量技术。随着现代图像处理和视觉伺服等技术的不断发展，微视觉已在很多领域获得了成功应用，如微机器人、微操作、微加工、微装配和微检测等。通过高倍率光学放大和高分辨率CCD传感器，微视觉可以实现很高精度的平面几何尺寸测量，达亚微米甚至纳米级精度；通过分析不同时刻多幅图像之间的关系，如光流分析、归一化灰度相关分析，可以实现高精度的几何位置变化测量，即面内运动测量。常规微视觉系统的一个重大缺陷是其视频采样速率不高，普通的CCD相机为每秒25帧（PAL制）或每秒30帧（NTSC制），目前最快的高速CCD相机只能达到10kHz的帧采样率，显然无法胜任MEMS高达数万、数十万、甚至上兆赫兹的高频振动响应的运动细节测量。另外，微视觉系统主要擅长于测量被测物体（一般为刚体）在平面内的运动，尽管它也可以用于垂直于成像平面的垂向运动测量，但需要采用多视觉和景深处理等复杂技术，而且其测量精度比面内运动测量精度低很多。

    为了利用微视觉系统实现MEMS或其它微结构的超高频超高速运动测量，一种可行而有效的方法是将频闪观测法与之相配合，构成频闪微视觉(stroboscopic micro vision)测量系统。频闪观测是一种基于频闪效应原理的高速运动观测技术：对高速且具周期性运动的物体，如果用一持续时间极短的频闪脉冲光去照射它，并使频闪光的闪光频率等于物体运动的变化频率，则当每次闪光时，物体运动总是到达同一位置，人眼观察或微视觉系统拍摄的就仿佛是一幅“冻结”不变的静止图像。利用这一原理，频闪微视觉系统可以记录下该运动周期内任一时刻的运动细节，其方法是保证频闪光的闪光频率与物体运动频率相等，并逐渐调整频闪光脉冲相对于物体运动的相对延时，则可以获得一系列“冻结”不变的静止图像，每一图像对应物体运动周期内的某一相对时刻。因此，频闪微视觉系统获取运动图像的时间分辨率不再由CCD相机的帧采样率所决定，而是取决于频闪光进行同步闪光时所能调整的最小延时增量。频闪微视觉系统的一个局限性是它不能测量随机运动，而只能测量周期性平稳过程或周期性瞬态过程，但在MEMS动力学测试分析中，可以通过设计将激励信号选为周期性信号（如谐波信号或周期性方波信号），则被测物体也做周期性运动，频闪微视觉系统就可以测量该激励周期内每一时刻的运动细节，从而不受上述局限性的限制。但频闪微视觉系统与常规微视觉系统一样，只能获得高精度的面内运动测量，仍然难以获得同样精度的平面垂向运动测量。

    为了利用微视觉系统实现平面垂向运动的高精度测量，一种有效的方法是将频闪观测与干涉测量技术相结合，构成频闪干涉视觉(stroboscopic interferometer vision)测量系统。其核心是一个Twyman-Green干涉仪，利用相移干涉(phase-shifting interferometry)技术，通过控制参考镜的相移并利用相位去包裹(phase unwrapping)算法，可以从不同相移下的多幅干涉图案中估计出一幅被测表面的垂向高度形貌图。常规Twyman-Green干涉仪采用连续照明光源，则如前所述，由于CCD视频采样速率不高而无法胜任MEMS的超高频运动测量。改进方法是采用脉冲光进行频闪照明，即保证频闪光的闪光频率与物体运动频率相等，则即使物体在其运动周期内做超高频高速运动，但视觉系统拍摄的总是一“冻结”不变的干涉图案，每一图案对应该运动周期内的某一相对时刻。利用移相技术，在物体运动周期内某一时刻可获得不同移相的一组干涉图案集，对应该时刻的一幅表面高度形貌图。通过调整频闪光脉冲与物体运动周期的相对延时，将获得该物体运动周期内不同时刻的多组干涉图案集。对这些干涉图案进行组间和组内的动态相位去包裹，即可估计出被测MEMS表面随时间变化的垂向运动变化图。

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    利用频闪微视觉系统和频闪干涉视觉系统进行MEMS和其它微结构的动力学测试只是最近几年才开始见诸报道，目前国外也只有极少数著名大学的科研小组构建了这样的实验原型系统。其中，麻省理工学院MEMS研究中心Freeman教授等人在国防先进项目局DARPA的资助下，最早开展了基于频闪微视觉系统的MEMS动态特性测试研究，他们研制的测量系统采用多焦平面成像和景深处理等技术，因而不仅可以测量面内运动，而且可以测量平面垂向运动，测量精度分别达2.5nm和10nm，最高测量频率达100kHz以上，面内空间分辨率为500nm，面内运动最大位移大于5μm，面内运动速度范围为0-20m/s。加州大学Berkeley分校传感器与执行器中心(BSAC，Berkeley Sensor and Actuator Center)在美国DARPA和国家自然科学基金NSF等项目资助下，研制了当前最先进的频闪干涉视觉系统，并用该系统进行了大量MEMS动力学方面的研究。在R.S.Muller教授的领导下，BSAC早期研制的频闪干涉视觉系统只能进行表面形貌和平面垂向运动测量，最近改进的系统则集频闪干涉测量与频闪视觉测量为一体，可同时实现平面垂向运动和面内运动测量，测量精度分别达1nm和5nm，最高测量频率达1MHz，面内空间分辨率为500nm，平面垂向运动最大位移为15μm，面内运动最大位移为500μm，平面垂向运动速度范围为0-3.3m/s，面内运动速度范围为0-20m/s。法国巴黎十一大学基础电子学研究所(IEF,Institut d'Electronique Fondamentale)的A.Bosseboeuf教授等人在法国国家科学研究中心(CNRS,Centre National de la Recherche Scientifique)资助下，也成功研制了用于MEMS动力学测试的频闪干涉显微镜，最高测量频率达800kHz以上，平面垂向运动测量精度为3-5nm。

    国内在MEMS测试方面也进行了很多尝试，但大多数研究集中在静态几何尺寸和表面形貌测量方面，有关MEMS和微结构动态测试的报道非常少。其中，清华大学王佳等人开展过原子力显微镜悬臂梁的动力学测量，采用了激光多普勒测振仪，但只获取了单个点的频率响应函数。清华大学顾利忠等人利用动态方法测量了微机械材料的杨氏模量，也采用了激光多普勒测振仪测量单个点的运动，但他们的研究重点在于提出了静电激励、声激励和瞬态激励等多种激振测量方式。天津大学胡小唐等人开展了采用了显微干涉技术,利用Mirau显微干涉仪配合频闪照明系统实现了对MEMS器件动态特性的测量。该动态测试系统能够实现频率范围从几十Hz到几十kHz的运动特性测量，分辨力在纳米量级。目前正在进一步完善数据分析软件，以进行力学分析。东南大学何小元等人利用高速CCD摄像技术和电子散斑图干涉(ESPI)法，研究了薄板的静态和准动态面内位移测量技术，利用投影栅位相测量方法研究了三维形貌测量技术。

    综上所述，激光多普勒测振、频闪视觉测量和频闪干涉测量是当前MEMS动态测试中最常用的三种非接触无损测量技术。其中，激光多普勒测振技术最为成熟，已有商品化产品出售，但它一次只能测量单个点运动的弱点限制了它在很多场合的应用；集成频闪视觉测量和频闪干涉测量的频闪干涉视觉测量系统代表了目前最先进的MEMS动态测试技术。

    频闪干涉视觉测量系统一般由光学成像系统、频闪照明系统、CCD摄像机、图像捕捉卡、激振台、信号发生器、计算机及图像处理软件等组成。在一定的系统硬件条件下，图像处理算法和运动估计算法及其软件起着决定测量精度的关键作用。WYKO公司总裁J.C.Wyant曾经预言，基于光学的测试系统将是10%的光学、10%的机械、20%的电子、60%的软件。

    传统的视觉测量技术主要采用光流(optical flow)分析或归一化灰度相关(NGC,normalized grayscale correlation)分析。在光流分析方法中，通过计算两幅图案的灰度梯度，进而估算被测物体的相对运动方向与大小。在NGC分析方法中，微视觉系统获得具有实际模式的图像，与存储在计算机内存中具有同样模式的参考图像进行栅格比较，从而计算出使两幅图像的匹配信息。光流分析方法计算速度很快，但精度较低；NGC分析方法精度较高，但计算效率不理想，而且难以处理角度、照度、对比度变化等复杂情况下的精确测量。当前视觉测量的一种新方法是几何模式匹配(GPM,geometric pattern matching)法，也称为点模式匹配法，它分三步对图像模式进行几何测量：一是识别并分离模式中个别的关键特征，测量形状、尺寸、角度、弧度、阴影等参数；二是将参考图像和实时测量图像中关键特征之间的空间关系（包括距离和相对角度）对应起来；三是分析特征和空间关系的几何信息，从而确定模式的X-Y坐标和角度。与光流分析和NGC分析法不同，几何模式匹配法充分利用了图像模式的几何信息，从而具有更高的鲁棒性；而且随着亚像素边缘检测技术的发展，该方法的测量精度也得到了很大提高，一般可以达到1/10像素以上的精度。

    在干涉图案的相位去包裹研究方面，典型的算法有基于路径跟踪的分割线算法、质量导向路径跟踪算法和基于最小二乘的PCG算法、多网格算法等。近几年来，国内在相位去包裹方面也开展了很多研究工作。华中科技大学李柱教授等人在国家自然科学基金的资助下，最近提出一种新的基于图像分析的实用算法。南昌大学王鸣、清华大学马力等人提出了一种基于条纹级数的简单相位去包裹算法。东南大学何小元等人提出了一种基于相位曲面光滑连续性的迭代估计自适应相位解调方法和基于最小截面差的相位解调方法。中国科学院上海光学精密机械研究所王向朝提出了多种相位展开方法。组间相位去包裹的概念最先由BSAC的R.S.Muller教授提出，同时提出一种基于品质图的种子点选取方法，国内尚无这方面的报道。