利用相移显微干涉术和频闪成像技术研究MEMS离面运动

【摘要】：MEMS 动态测试技术，因其能够测试 MEMS 三维运动，分析 MEMS 动态特 性、材料特性以及机械力学参数等关键数据，已成为 MEMS 测试技术的重要组 成部分。而研究如何在 MEMS 运动过程中记录瞬间运动状态，并恢复 MEMS 表 面的离面运动历程，则是 MEMS 动态测试技术实现离面运动测量的关键，因而 必须解决。 本文在充分调研的基础上，结合频闪成像技术和相移显微干涉技术，建立了 MEMS 离面运动测试系统，提出新的用于恢复离面运动信息的双向相位展开算 法，并实现对微谐振器离面运动的测量。论文的主要工作包括以下几个方面： 1. 建立 MEMS 离面运动测试系统。论文仔细分析了相移显微干涉测试技术 的原理，分别从干涉显微镜的光学结构布局、相移干涉术和离面高度相位计算三 部分，详细剖析相移显微干涉的技术细节，并对各个部分中存在的方法或算法进 行系统的分析，特别是影响测量误差的主要因素；在此基础上，先后完成了系统 各部分的连接和调试，LED 光源的选择和性能分析，驱动电路的修改和调试， 高压运放电路的修改和调试等。 2. 提出基于频闪成像技术的沿时间轴和空间轴的双向相位展开算法。文中 采用了一种对线性和非线性相移误差、干涉光强信号的非正弦性和 CCD 摄像机 的非线性响应等不敏感的相位提取算法－Hariharan 五帧算法，并且在分析 MEMS 离面运动测试的特点之后，提出基于频闪成像技术的简便实用的双向相 位展开算法，最后在 MATLAB 上完成融合相位提取、相位展开、相位－高度转 换和基准面调平算法的数据处理软件的编写。 3. 采用虚拟仪器技术建立频闪成像同步控制系统。工作包括硬件的搭建， 激励信号和控制信号的波形编辑，同步控制策略的软件实现。由于各部分的时间 延迟对系统性能影响较大，文中还详细讲述了系统各部分时间延迟的标定，以及 解决的方法。 4. 实验验证系统性能。首先利用 NIST 认证的高度为 44nm 的标准三角形台 阶进行静态离面高度测试实验，验证了系统的测量精度，实验数据的重复精度达 到 0.52nm；随后对 MEMS 器件－微谐振器实施离面运动测试，频闪同步控制系 统成功获得该器件运动瞬间的干涉组图，数据后续处理软件则利用这些干涉图恢 复出器件的离面运动轨迹。测试系统还实现对微谐振器离面运动的扫频测量。