（光学工程专业论文）微测试技术研究.pdf

摘要 摘要 为弥补普通光学显微镜照明系统的不足并针对一般三维微结构的显微成像， 提出并设计了一个可实现实时调节的三向光纤照明成像观测系统。系统采用计算 机、d 扭卡、驱动电路等硬件以及自主研制的控制软件，实现对任一光源的光强 进行稳定连续的实时调节，通过自主设计的机械结构将光源、光纤、耦合头以及 显微镜连接为一整体，并实现光束入射方向、入射角和入射距离的任意调节。与 通常的底部透射光照明系统进行实验比较，成像质量大大提高，不仅可以清晰观 察目标对像的表面结构，还能得到立体感强的三维图像。针对如何对面阵c c d 显微测量系统进行标定以及减小标定误差的问题，提出了螺旋微缝标定法。将螺 旋测微计两铁钻形成的微缝作为标定的样本，配以适当的观测手段和计算方法， 有效地消除或减小了各科误差，提高了系统的标定精度。通过系统标定和测量比 较，系统的标定精度达到o 0 0 1 5 “m ，测量精度达到l 岬。实验结果表明：螺旋 微缝标定法可以基本满足c c d 测量系统标定的要求，是一种简便、快捷、实用、 标定精度较高的方法。 微电子机械系统( m e m s ) 是集传感、信息处理和执行于一体的集成微系统。 近年来，已经成为重要的高新技术领域和研究工作的热点。m e m s 器件的特征 尺寸范围为几微米到几毫米。构成其机械结构的基本构件主要包括细丝、悬臂粱、 微桥、薄膜和微轴承等。当这些构件的尺寸细微到微米纳米尺度后，其材料本 身的力学、物理性质会出现强烈的尺寸效应。常规条件下的材料力学性能参数已 不能满足m e m s 系统结构设计的要求。所以对m e m s 基本构件力学性能的测试 显得尤为重要。针对m e m s 中最主要的基本构件微悬臂梁、细丝、微桥和微轴 承，采用弯曲法，研制了基于u s b 接口的m e m s 材料力学性能测控系统。使用 本系统对一些微悬臂梁，微桥等微构件的力学性能进行了实验取得了良好的效 果。整套系统具有良好的稳定性和可移植性，支持热插拔。根据需要稍加调整， 本u s b 设备完全可以代替步进电机控制卡或采样率要求较低的数据采集卡，还 可以广泛应用在需要实时监控的领域。 关键词c c d ：微电子机械系统；照明；通用串行总线 测量 a b g h u 舰 a b s t r a c t t h i sp a p e ri n t r o d u c e san e wi l l u m i n a t i o ns y s t e ma i m i n gt oo b s e r v e3 dm i c r o s t r u c t u r e o fm e m s i tc a ni l l u m i n a t ef r o mt h r e ed i r e c t i o n s i t s l i g h ti n t e n s i t y , a n g l eo f i n c i d e n c ea n dd i s t a n c eo fi n c i d e n c ec a l l b er e a l - t i m e r e g u l a t e dp r e c i s e l y t h r e e d i m e n s i o n a li m a g ea n dt h es u r f a c eo fm i c r o s t r u c t u r ec a l lb ea c h i e v e dc l e a r l yb y u s i n g t h i s s y s t e m i nt h ep r o c e s so fd e s i g n i n gt h es u r f a c em a t r i x c c d m i c r o - m e a s u r e m e n ts y s t e m ，c a l i b r a t e de r r o rh a sad i r e c te f f e c to nt h em e a s u r e m e n t a c c u r a c yo f t h es y s t e m i no r d e rt oc a l i b r a t ea n dr e d u c ec a l i b r a t e de r r o r , an e wm e t h o d i sp r o v i d e di nd e t a i l ，w h i c hi ss i m p l e r , f a s t e r ，m o r ec o n v e n i e n ta n dm o r ea p p l i e dt h a n t h et r a d i t i o n a lm e t h o d t h ec a l i b r a t e da c c u r a c yo ft h es y s t e mi su pt o + o 0 0 l5 9 ma n d i t sm e a s u r e m e n ta c c u r a c yi su pt o5 ：1l a m t h i ss y s t e mi ss u i t a b l ef o rc a l i b r a t i o ni nt h e 】e v e lo f m i c r o n m e m s ( m i c r o e l e c t r o n i c sm a c h i n es y s t e m ) i sac o m p o s i t i v es y s t e mw h i c hh a ss u c h f i m c t i o n sa ss e n s o r ，i n f op r o c e s s i n ga n de x e c u t i o n i th a sb e e nah o tp o i n ti nm a n y i m p o r t a n th i g h a n dn e wt e c h n o l o g yf i e l d s t h ec h a r a c t e r i s t i cs i z eo fm e m s c o m p o n e n t si sf r o mm i c r o nt om i l l i m e t e r t h em a i nc o m p o n e n t si n c l u d ec a n t i l e v e r g i r d e r , m i c r ob r i d g e ，f i l a m e n ta n dm i c r oa x l e t r e ee r e t h em i c r oc o m p o n e n ti s d i f f e r e n tf r o mt h em a c r o s c o p i c a lc o m p o n e n t i t sf o m ec h a r a c t e rc h a n g e sal o tw h e ni t s s i z ei st om i c r o no rn a n o n ，t h eg e n e r a lm a t e r i a lf o r c ec h a r a c t e rc a n tb eu s e dt o e x p l a i nt h ef o r c ec h a r a c t e ro ft h em i c r oc o m p o n e n t ，s oi ti sv e r yi m p o r t a n tt ot e s tt h e f o r c ec h a r a c t e ro fm e m sm a t e r i a l t h ee x p e r i m e n to nm i c r o c o l u m np r o v e dt h e r e l i a b i l i t y , s t a b i l i t y , a n dp o r t a b i l i v yo ft h es y s t e m a f t e ra l i t t l ea d j u s t m e n t ，t h eu s b d e v i c ec a l lr e p l a c et h em o t o rc o n t r o lc a r do rd a t aa c q u i s i t i o nc a r dc o m p l e t e l ya n dc a l l b ew i d e l yu s e di ns u c hf i e l d sa sm o n i t o r i n g ，m e a s u r e c o n l r o l ，a n ds oo n k e yw o r d sc c d ；m e m s ；i l l u m i n a t i o n ；u s b ；m e a s u r e m e n t i l 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密韵论文在解密后应遵守此规定) 签名：叠蜃 导师签名日期：星竖1 2 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 随着微膳内米科学与技术( m i c r o n a n os c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ) 的发展，以 形状尺寸微小或操作尺度极小为特征的微机械已经成为人们在微观领域认识和 改造客观世界的一种高新技术。 1j 对于微机械的研究，最早是由美国斯坦福大学 在2 0 世纪七十年代开始进行的。在八十年代中后期开始受到许多国家的关注。 目前比较统一的称之为微机电系统( m e m s ) 。它将致动器，控制器，传感器， 电源等集成在一个微小体积范围内发挥系统功能的产品，是光，机，电，磁，化 学，自动控制，传感器技术与信息处理等多种技术的综合。微机电系统首先是在 快速发展的微电子制造工艺的基础上产生的。它的尺寸在毫米量级或者微米量 级，体积小、耗能低，能进入一般机械无法进入的微小空间工作，能灵活地实施 精细操作，新型的微机械能够； 微电子系统集成和信息传递。因此，随着该技术 的进步，它在现代科技领域有广泛的应用空间，能够解决许多以前所不能解决的 问题f 1 1 。 m e m s ( m i c r oe l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m ) 技术的迅速发展大大带动了相关 技术领域的进步，尤其是微检测技术的刨新和发展。 微检测技术是为了获取毫米级、微米级甚至纳米级的研究对象的状态、运动 和特征等方面的信息。从广义的角度来讲，它涉及试验设计、模型理论、传感器、 信号加工与处理、误差理论、控制工程、系统辨识和参数估计等学科内容。从狭 义来讲，则是指在选定激励方式下，信号的检测、变换、处理乃至显示、记录或 以电量输出数据的工作。微检测技术是随着微米纳米技术的发展而迅速发展起 来的技术 2 1 。 微检测技术是构成微机械技术群中的一个不可缺少的重要技术，由于被测量 十分微小，从而形成了微检测技术的难点和特点。也就是说，对其几何量与机械 量的测量提出了极其严格的要求，例如；就加工而言，欲得到l n m 的加工精度， 最小的加工单位和测量单位势必要求为亚纳米量级。再例如：当m e m s 尺寸缩 小至一定范围时，许多物理现象和宏观世界有很大差别。在微观尺寸领域，与尺 寸l 的高次方成比例的惯性力、电磁力( l 3 ) 等的作用相对减小，而与尺寸的低 次方成比例的黏性力、弹性力( l 2 ) 、表面张力( l 1 ) 、静电力( p ) 等的作用相 对增大，同时表面积( l 2 ) 与体积( l 3 ) 之比增大，热传导、化学反应等加速和 表面的摩擦力显著增大，因此许多宏观物理量进入微观尺度后甚至需要重新定 义。这种现象被称作“尺寸效应”。 1 i e 是m e m s 本身的这种特点，对微检测 技术提出了更高的要求。传统的检测技术与方法已不能完全满足需要，徽结构及 北京工业大学工学硕士学位论文 ! 舅蔓蔓一i i 董皇墨量舅曩皇皇量置鼍曼鼻量皇量皇量甍奠皇量量鼍霸篁皇皇曼曼曼r 其器件的有效检测技术己经成为阻碍微机械与微细加工技术发展的瓶颈之一。在 实际的生产过程中，由于检测手段匮乏，甚至只能通过制件的试用过程来检验 其加工质量，这对研究和掌握微细加工技术规律造成了阻碍。 1 1 因此在测量技术 领域里，改进原有传统的测量技术，并开拓新的测量原理和方法、设计新的测量 装置和仪器，无疑是微观测试技术发展的一大特点。微检测技术与微细加工技术、 控制技术等是密切联系的，是微机械技术的重要组成部分之一。它不仅能为产品 的质量和性能提供客观的评价，为加工技术的合理改进提供基础数据，为加工过 程提供了定性或定量评判，而且是进行一切探索性的，开发性、创造性的和原始 的科学发展或技术发明的手段。 总之，微米，纳米技术的发展离不开微检测技术，同时微米纳米技术的发展 又不断提出新的要求，刺激着微微检测技术的发展。各种学科领域的新成就也常 常首先反映在检测方法和仪器设备的改进中，检测技术总是从其他关联的学科吸 取营养而得以发展【2 j 。 在m e m s 设计、制造等过程中，微检测技术的原理和方法多种多样，但根 据检测参数的不同可以将其主要分为对动态参数、静态参数、微材料力学特性的 测量。本文将着重对静态参数、微材料力学特性两个参数的检测技术和方法进行 研究。 1 2 微测试技术的国内外发展现状 1 2 1动态参数检测技术的发展现状 对m e m s 的动态参数如位移、速度、振幅、频率等进行精确测量已经成为 m e m s 发展的迫切要求。目前采用的动态参数测量方法主要有电测法和光电测 法。电测法具有简单实用、稳定性好、信号分析处理容易等特点，包括压阻测试 法、电容测试法、电感测试法、压电测试法等在内的电测法在微机械量测量中占 有重要地位。由于微机械的特征尺度一般为毫米至亚微米远小于宏观机械，其机 械运动具有高频率、高速度、低振幅，位移小等特点，因此微机械的动态特性很 容易被测量过程干扰。光电测试方法由于是非接触测量，同时又具有分辨率好、 精度高的特点，目前已成为微机械量检测领域的研究热点，一系列应用光电检测 方法的m e m s 动态参数检测仪器，如激光多普勒测振仪( l n v ) 、频闪显微干涉 系统( s m m ) 、计算机微视觉系统( c m v s ) 、光纤迈克尔逊干涉仪等已投入实际应 用。 ( 1 ) 频闪光照明技术与计算机微视觉技术相结合的测量技术 c c d 成像系统结合光学显微系统、计算机图像处理系统可以比较容易的对 微位移、微马达转速等运动参数进行检测，而且可以达到较高精度。但是由于视 2 第1 章绪论 觉成像系统采样频率的限制，单纯的计算机微视觉技术不能实现高速、高频运动 参数的检测。因此在计算机微视觉技术的基础上引进了频闪光照明技术。 其检测原理主要是利用频闪照明使作周期运动的微结构“静止”，再通过对 照明控制信号相位微调，获得运动结构处于不同相位的“静止图像”，对这一系 列的静止图像运用机器视觉方法进行分析就可以得到相关运动参数，当对离面运 动进行测量时，还要进行光学显微镜调焦，在不同物镜焦平面采集系列图像，因 为运动结构相对物镜焦平面的位置发生变化导致采集到的灰度图变得模糊，根据 图像的变化来测量离面运动的相关参数。 目前，美国麻省理工学院( m i t ) 研制的计算机微视觉系统( c m v s ) 采用了频闪 光照明，可测量的最高周期运动频率达到1 0 0 k h z 。f r e e m a n 等人领导的研究小 组应用这套系统对m e m s 进行检测实现了面内运动检测分辨率小于2 5 n m ，离 面运动检测分辨率小于5 r i m 。 3 - 4 1 ( 2 ) 干涉测量技术 针对m e m s 的离面运动，频闪显微干涉系统( s m i s ) 在计算机微视觉和频闪 技术的基础上融入了干涉系统。主要通过对运动对象分别采集没有干涉条纹的周 期运动不同相位图像和带有干涉条纹的干涉图像，并通过一定的算法对这些图象 进行处理从而获得各种运动参数。 目前，美国加洲大学伯克利分校研制的频闪显微干涉系统( s m i s ) 在对面内 运动进行检测时分辨率达到5m ，离面运动检测的分辨率为1n i i l 。可测量的最 高周期运动频率达到1 0 0 m h z 。【5 1 ( 3 ) 光纤测量技术 采用反射式光纤位移传感器，出射光纤和入射光纤并在一起，将被测面置于 光纤端面附近，当被测面有垂直于光纤的位移变化时，出射光纤中的光强将发生 变化，通过对其进行检测可实现对被测面的运动特性的测量。用光纤耦合法测量 微悬臂梁的的横向振动参数，以不同频率激励悬臂梁，作为发射面的粱的振幅会 发生变化，出射光纤中的光强也会随之发生变化，检测光强的变化可实现对梁的 固有频率的检测。 6 1 此外光纤干涉传感技术具有灵敏度高，体积小，对特殊环境适应性强的特 点。国内一研究所曾提出了一种基于光纤迈克尔逊干涉仪的测量方案，并进行了 初步实验，该仪器可用于对高频运动检测。 7 1 1 2 2 静态参数检测技术的发展现状 对静态参数测量主要是针对m e m s 的微小构件的二维或三维尺寸、三维形 貌的精密测量。m e m s 尺寸范围目前没有统一的认识，一般认为范围在亚微米 到i o m m 之间。微几何量测量具有以下特点：测量力引起的误差较大；定位误 北京工业大学工学硕士学位论文 差往往较大；温度引起的误差小；被测件轮廓影像易受异物的影响；衍射效应的 影响大。目前，光切法、干涉法、共焦显微干涉法等非接触测量方法已经成为对 微小构件几何量精密测量的主要方法，其中，将计算机视觉技术与光学显微技术 相结合的微视觉测量方法越来越受到重视。 微几何量检测测量范围小，测量精度要求高。二维微几何量检测可以采用普 通光学显微镜和扫描电子显微镜( s e m ) 。由于具有较高的分辨率，s e m 目前已成 为m e m s 设计、制造中最常用的观测仪器之一。由于加工工艺和m e m s 可靠性 设计等方面的要求，获得m e m s 微结构精确的三维结构信息是m e m s 中几何量 测试的重点。哺j 微视觉测量技术在微几何量检测领域越来越得到重视。对亚微米级的微机械 量和几何量的检测和计量手段有：扫描电子显微镜( s e m ) 、扫描探针显微镜 ( s p m ) 、干涉显微镜、高精度轮廓仪、光电坐标测量机( c m m 等。其中， 和的测量范围分布在几u ；白光干涉显微镜测_ o 量p t 范) 围分布在s o e 0 m s p m n m 2 0 0m5 1 tm 0 6 m m ：轮廓仪测量范围分布在0 1ui l l 5 r a m ；采用光探针 ( 0 p t i c a l p r o b e ) c m m 测量范围分布在lm 1 0 0 0 m m ：具有机械式测头 ( m e c h a n i c a l p r o b e ) 的c m m 对微机械量和几何量检测和计量相对较困难：扫描隧 道显微镜( s t m ) 和原子力显微镜( a f m ) 就其测量精度和范围属于纳米测量手段。 m e m s 尺寸范围分布在亚微米到1 0 m m 之间，在这个测量区域中，微视觉测量 方法辅助以精密的机械移动可以覆盖亚微米到1 0 m m 的区间，几乎可以覆盖整个 微几何量测量区间，是该领域中最有前景的计量测试方法和手段之一。【9 1 0 1 1 2 3 微材料力学特性检测技术的发展现状 m e m s 器件的组成材料特性是影响m e m s 可靠性、稳定性的重要因素。目 前，m e m s 所使用的材料多以单晶硅、多晶硅、氧化硅和一些金属，还有聚酰 亚胺等高分子材料。这些材料通过化学气相沉积、溅射、电镀等方法形成薄膜， 再经过光刻、刻蚀、牺牲层腐蚀、体硅腐蚀等形成各种形状，构成微机械结构。 基本构件主要有细丝、悬臂梁、微桥、薄膜、齿轮和微轴承等，由这些基本构件 组合成的结构不是传统机械的简单几何缩小。当构件细微到微米纳米尺度后， 材料本身的力学、物理性质及其受环境影响的程度有显著变化，会出现强烈的尺 寸效应、表面效应等。由于加工工艺、结构尺寸不同，即使是同样的材料也会表 现出不同的材料特性，常规条件下的材料的力学性能参数已经不能满足m e m s 系统结构的设计要求。 t l - 1 2 】目前，硅类薄膜材料的电学特性、化学特性均得到充 分的了解，而材料力学性能检测的工作始终未能跟上，这已经成为m e m s 设计 及其c a d 发展中的一个制约因素，因此对m e m s 器件组成材料特性进行检测具 有重要意义。【l “1 4 第l 章绪论 在m e m s 设计、制造中比较常见的材料特性测量包括测量材料的断裂模数、 弹性模量、应力应变、微摩擦特性等。目前，m e m s 材料力学性能实验具体按 作用方式的不同将实验方法分成纳米硬度、弯曲、拉伸、扭转这几大类，每一大 类中又包含数种测试方法。在这些测试方法中，弯曲方法是较成熟较常用的测试 方法。与其它测试方法相比较，这种方法的优点为：( 1 ) 与硬度法比较，排除所 有与基体相关的影响，直接得到薄膜的力学性能。( 2 ) 与拉伸法比较，较小的力 就能得到较大的横向变形，可以使用光学显微镜测量；载荷作用为推力，避免了 试样的夹持阃题，对中问题不突出：加载枫理简单，易于操作，试样可以做得更 小。( 3 ) 可实时测量载荷和挠度的变化。( 4 ) 对采用不同加工工艺得到的各类材 料的试样均可进行测试。u s - t 8 1 目前，弯曲法按作用方式分，大致有接触式( 通过压针作用在试样上) 、非接触 式( 如气压差、静电吸引) 、谐振法等。这种方法主要通过精确测量作用载荷和 结构弯曲位移或离面变形，并建立适当的理论模型和使用有限元进行模拟，从而 获得的微构件的力学性能参数。 ( 1 ) 接触法 接触法使用较广，主要将压针直接作用在试样上。所用仪器主要有纳米硬度 计及其类似装置、原子力显微镜【1 9 。0 等。 w e i h s 和n i x t l 6 1 的工作最有代表性。他们使用 n a n oi n d e n t e r1 i 测微悬臂梁的弯曲挠度，见图1 1 该系统的载荷和位移测量分辨率较高，分别为 o 2 5un 和0 2 n m 。 国内，丁建宁等采用上述方法，使用瑞士 c s e m 公司的n a n oh a r d n e s st e s t e r ，对用l p c v d 工艺制作的多晶硅微悬臂粱进行了弯益实验，弯 曲模量为( 1 5 6 4 5 4 ) g - v a 。t 1 7 】 ( 2 ) 非接触法图1 - 1 接触法 最初的鼓膜实验是用机械的方法将自由膜固定 f i 9 1 1t o u c h i n g m e t h o d 在一个具有圆孔的基体上，通过控制薄膜两侧的气压差使薄膜凹或凸起，测量在 外加压力下薄膜中心的挠度，然后将压力一挠度曲线转化为应力一应变曲线，从 而得到薄膜的力学性能。1 2 1 - 2 2 1 这种方法的优点是可避免薄膜单轴拉伸实验中因试样边缘损伤所引起的早 期颈缩失稳；试样的制备和夹持也相对容易。 2 3 讲】 静电驱动是m e m s 中的驱动方式之一。同压针驱动相比，这种方式能真实 模拟器件中各构件的运动情况。b o e r 等的工作最具代表性。他们根据麦克尔逊 ( m i e h a e l s o n ) 干涉原理研制出一套非接触的在位离面变形光学测量系统。位移 北京工业太学工学硕士学位论文 分辨率优于1 0 n m 。1 2 5 - 3 4 1 ( 3 ) 谐振法 通过检测谐振频率计算微梁的模量，是一种较早采用的动态测试方法。早在 1 9 7 9 年p e t e r s o n 等就利用这种方法测量氧化硅微悬臂梁的模量。后来，p u t t y 和 h o k 等利用这种方法分别测量多晶硅微桥和多种材料的模量由于该方法使用简 单， 避免了试样的夹持等困难，所以彼广泛应用。但其测量的弹性范围有限， 实验误差较大，只可作为一种粗略的测试方法。 3 5 。6 1 1 3 本论文的研究内容和目标 本课题的研究内容主要是针对m e m s 器件的静态参数和微材料力学性能参 数的检测技术及检测设备的研制展开的。结合现有条件，重点对以高聚物为基体 制作材料加工的m e m s 微结构的静态参数和微材料的力学性能参数进行检测。 目前，在研制成功了准分子激光微加工机，并成功实现了微结构的精密激光 微刻蚀之后，急需对a n - r 样品的几何尺寸( 例如：微孔的直径、徽沟槽的宽度、 微齿轮的齿顶角等) 和微构件的材料力学性能( 例如：微桥或微悬臂梁的断裂模 量、应力和应变等) 进行测量以改进加工工艺，调整加工参数，为加工质量的评 价提供参考依据。 1 ，3 ，1 对静态几何参数的测量 由于样品的尺寸范围一般在几十微米到几百微米，所以检测设备的测量精度 应能够达到一个微米。现有的机械式光学测量显微镜，其测量读数只能精确到 0 0 1 m m 。由于观察过程受到人的主观因素和机械因素的影响，其测量误差往往在 几个微米到十几个微米，完全不能满足对m e m s 微构件测量的需要。另外还有 重庆光电仪器有限公司生产的x s z 一7 g 摄影生物显微镜。具有4 倍、1 0 倍和4 0 倍物镜，只能够对样品进行观察，并不具有测量功能。而且，由于一般的光学显 微镜均采用底部照明的方法对被观测对像进行成像，所以观察的样品只能是透明 材料，且拍摄的图像只能观察到对像的表面轮廓。在某些观测过程中观察的样品 是基于透明材料( 如：有机聚合物材料) 或不透明的材料( 如：硅材料) 加工的 三维微结构。有时需要观察样品的局部三维形貌以满足定域观测的需要，但是单 纯采用底部透射光照明远远达不到要求。另外，一般的光学显微镜的照明光源通 过手动调节可变电阻来改变光源光强。光强的稳定性、变化的连续性和范围都比 较差，尤其在显微摄影中，其不足尤为明显。因此要实现对样品几何尺寸的精密 测量并获得较理想的具有较高的灰度对比度的清晰的三维图像，必须提高现有设 备的测量精度并对显微照明系统进行优化设计改造。 第1 章绪论 要对三维微结构几何量进行高精度测量，必须先对系统进行准确标定。系统 的标定误差直接影响系统的测量精度。传统的标定方法由于其标定用的样本要求 尺寸小、形状规则、成像质量好、测量精度高等问题而不易实现，因此必须寻找 一种标定精度高且易于实现的方法对测量系统进行准确标定。 具体的研究内容主要包括以下几项： ( 1 ) 研究合适的标定方法，对c c d 显微测量系统进行尺寸标定，并设计微 结构图像测量软件。 ( 2 ) 改进现有的显微照明系统，完成机械结构、硬件电路以及控制软件的 设计。 1 3 2 对微材料力学性能的测量 测量微材料力学性能的方法很多，其中弯曲法是一种较成熟较常用的测量方 法，具有其它方法所不可比拟的优点。因此，考虑现有条件和测量要求，选择构 成m e m s 的主要微构件 如：微桥或微悬臂梁) 为测量对象，选取弯故法对微 材料的力学特性进行测量。 具体的研究内容主要包括以下几项： ( 1 ) 合理设计加载机械结构，能够使压针精确定位在微构件上。 ( 2 ) 选择设计合理的测试方法和机械结构以实现加载力和微构件形变的精 确测量。 ( 3 ) 设计制作信号采集及电机控制卡，为信号的采集和电机的控制提供硬 件支持。 ( 4 ) 编写信号采集及电机控制软件，配合信号采集及电机控制卡实现数据 的自动采集、分析、显示、保存等功能。 ( 5 ) 制作微构件样品，并进行试验验证。 1 4 论文结构 本论文按照课题研究过程安排如下： 第一章：绪论 第二章：静态几何参数测试系统的设计 第三章：m e m s 微材料力学性能测控系统的设计 第2 章微结构静态几何参数测试系统 第2 章微结构静态几何参数测试系统 2 1 整体结构及工作原理 本系统由c c d 显微测量和三向光纤照明两个子系统组成。整体结构如图2 1 所示。 硬件主要包括光源、光纤、耦合系统、摄影显微镜、面阵c c d 摄像机、图 像采集卡、d a 卡、驱动电路和计算机等。软件包括图像采集、图像数据处理和 照明系统控制等软件。 图2 - 1 整体结构图 f i 9 2 - 1w h o l ef r a m e w o r k 被观测对像通过摄影显微镜将放大一定倍数的图像成像在c c d 摄像机的面 阵c c d 器件上，c c d 摄像机将采集到的图像信号进行处理，并传送给安装在计 算机上的图像采集卡，并将经过电路放大的图像显示在显示器上。这时，可以利 用安装在计算机上的图像采集软件将图像保存在硬盘上，并利用图像数据处理软 件对图像进行处理、测量，另外，根据拍摄的图像的质量，利用照明系统控制软 件对图像的质量按照一定的照明质量评价算法进行自动判断，并根据判断结果发 出光强控制信号。此信号经过d a 卡和电流放大电路转换为照明光源需要的模 拟电压，以控制各向的光强，从而达到较好的照明效果，并拍摄到质量较好的图 像。 2 2c c d 显微测量子系统及设计 2 21测量原理 c c d 显微测量的原理是先对已知尺寸的物体成像，经过适当的图像处理 8 北京工业大学工学硕士学位论文 后，测得物体的像占屏幕的像素数虬，然后求得单位像素对应的物体实际空间 的尺寸肛半。在测量实际物体尺寸时，只需测得图像所占的像素数，便可 t n p 以确定物体的实际空间尺寸。以同样的方法还可以确定单位像素对应的实际空间 面积，用于测量任意形状图形的表面积。 2 2 2 子系统组成 予系统包括摄影显微镜、光学图像适配器、面阵c c d 摄像机、图像采集卡、 计算机、图像采集软件和图像数据处理软件等。显微镜选用重庆光电仪器有限公 司的x s z 7 g 摄影生物显微镜。根据观察对像的尺寸范围，系统选用4 倍和1 0 倍消色差物镜以及4 0 倍平像场物镜，其数值孔径n a 分别为0 1 、0 2 5 和0 6 5 。 能有效地消除球差、彗差、轴向色差、垂轴色差和场曲等各种像差。光学图像适 配器即是一个投影透镜，其作用是将显微物镜成的像以适当的缩放倍率投射在感 光面上，形成一定尺寸大小的清晰的实像。本系统选用2 倍透镜。面阵c c d 是 理想的光电图像采集、传输器件。根据显微图像分辨力的要求和图像宽度、彩色 c r t 以及光学系统本身分辨力等的要求，系统选用日本k o c a 公司的k a - 5 0 0 彩色面阵c c d 摄像机。其感光面积为3 6 m m x 2 7 m m ，面元数为5 0 0 ( 水平) 5 8 2 ( 垂直) ，水平分辨率为4 2 0 电视线，最低照度为1 0 l u x 。图像采集卡是将 来自c c d 摄像器件的已经交换成模拟视频信号的显微图像信号转换为数字信 号，输入计算机的硬件设备。根据摄像机的分辨率和实际应用的需要，系统选用 3 2 位圆刚图像采集卡，其特点是既可进行动态影像采集又可用于静态真彩图像 采集。系统选用的图像采集软件为a v e r c a p ，它可实时显示并保存所观察的图像， 图像大小为7 6 8 像素5 7 6 像素。 图像处理的目的是通过适当的软件处理使原始数字图像得到适当变化，以适 应人的视觉信息感知，便于或提高图像有用信息的提。1 3 7 - 3 8 取本系统选用 i m a g e p r o p l u s 图像处理软件或选用自主设计开发的i m a g e1 0 微结构图像测量软 件，它具有过滤噪声、边缘识别、反显、灰度变换、锐化处理、二值化和伪彩色 处理等多种图像处理功能。根据具体要求可以灵活地采用一种或多种图像处理技 术，以提高图像质量。同时它还具有测量的功能，可以对放大的显微图像，以像 素为单位测量任意两点间的距离、任意三点确定的圆的半径、面积和圆心坐标、 任意图形的面积、边沿长度和中心点坐标、以及任意三点所成的角度( 以度为单 位) 。 2 2 3 设计中存在的问题 9 第2 苹徽结构静态几 可参数测试系统 要提高系统的分辨率和系统的测量精度，必须解决系统分辨率匹配的问题和 系统标定精度的问题。 2 2 3 1 分辨率匹配问题系统的分辨率与c c d 器件的分辨率、面阵c c d 摄 像机的分辨率、图像采集卡的分辨率和光学系统的分辨率有关。必须充分考虑其 之间的关系，并进行合理的匹配，才能使系统的分辨率达到最高，提高系统的测 量精度。 c c d 器件的分辨率指光敏元间的空间距离。由于视频电路的带宽限制了空 间采样的分辨率，所以面阵c c d 制成摄像机后，摄像机的分辨率低于芯片本身 的分辨率。图像采集卡的分辨率指在电视信号的一行内，a d 转换采样点的数目。 一般图像采集卡的分辨率要高于摄像机的分辨率，以保证面阵c c d 摄像机拍摄 的图像的分辨率。光学系统的分辨率就是成像物镜的分辨率，它是指成像物镜能 区别被测物体空间上最近两点之间的距离。如果成像物镜在感光面上成像的分辨 率小于摄像机一条电视线对应的像的空间尺寸，面阵c c d 摄像机的分辨率就决 定了系统的分辨率。反之成像物镜的分辨率决定系统的分辨率。 经过计算本系统的最高分辨率为0 5 9 m 2 2 3 2 系统标定的问题要对三维微结构几何量进行高精度测量，必须先对 系统进行准确标定。系统的标定误差直接影响系统的测量精度。要对系统进行精 确的标定，首先要选取合适的样本。为了实现高精度的标定，对样本的具体要求 如下： 第一，为减小读取象素数时的读数误差，样本成像的边缘要整齐，清晰； 第二，为减小随机误差需要选取不同尺寸的样本对系统进行多次标定，并且 样本的空间尺寸一般在几十微米到几百微米； 第三，由于样本的尺寸精度直接决定或影响系统的测量精度。所以必须对样 本本身的尺寸进行精确的标定，这样才能减小由样本本身尺寸产生的 误差。 从以上问题很容易看出，满足以上要求的样本不仅不易找到，而且对样本本 身的尺寸进行精确标定也不易实现。一般微机械器件的测量精度要求在几微米， 也就是说要选取测量精度为微米级甚至更高精度的测量仪器对样本进行测量，同 时要尽量选取无接触测量的方法以防止样本的形变带来的误差。这在一般的实验 条件下很难实现。虽有专门的测量机构，但费时、费力、费资。 2 2 4 螺旋微缝标定法 综合以上因素，我在大量的实验比较基础上提出了一种螺旋微缝标定法，并 配以适当的观测手段和计算方法，有效提高了系统的标定精度，能基本满足对微 机械几何量的测量精度要求。 l o 北 ；( 工业大学工学硕士学位论文 以螺旋测微计的两铁钻形成的微缝作为标定的样本。螺旋测微计的两铁钻形 成的微缝的像，边缘整齐、清晰，且宽度在要求的范围内任意可调，读数可精确 到o 0 1 m m 。由于螺旋测微计零点误差( 小于0 0 0 5 m m ) 的存在，在读数时必须 进行零点误差校正。但这样做肯定又会引入新的读数误差。因此在相同的观测条 件下，将两次整数读数的差作为微缝的宽度尺寸，将两个微缝像的象素数的差作 为微缝像对应的象素数，便可以有效的消除或减弱螺旋测微计的零点误差和人为 的读数误差。 假设微缝的宽度读数( 单位：m m ) 为w * = - w z 3 w ，微缝像的宽度读数( 单 位：象素) 为+ = 。其中矽为微缝的真值宽度，矿为仪器误差和读数 误差。为微缝像的宽度的兵值读数，为读数误差和系统误差。则 ，w +w a w wa w 、 一1 丁了一1 寸j i 五百一下丁面士n a n 。 。z 一1 因为螺旋测微计的读数可以精确到o 0 1 m m ，所以厶0 0 0 5 m m 。由上式 可以看出当+ 的读数很大时( 取6 0 0 7 5 0 个象素) ，可以太大减弱w 对k 值 的影响。由于微缝像的边缘整齐，清晰，经过多次测量，n + 的误差限为3 个象 素，即n = 3 。当w ( 取o 6 o 7 m m ) 相对+ ( 对应6 0 0 7 5 0 个象素) 的取 值较小时，也可以太大减弱对k 值的影响。由以上分析可知，采用上述螺旋 微缝标定法并配以适当的观测手段和计算方法，可以对c c d 显微测量子系统进 行精确的标定。经过测量实验比较，其测量精度可以达到l 岫。能基本满足微 机械器件观测的精度要求。 2 2 5 系统标定及标定结果 在室温2 0 c 2 5 c 与防潮、防尘、防震的测试条件和相同的观测条件下， 我对不同读数的微缝的像进行了测量，数据结果见表2 1 。同时，对读数差在6 0 0 个像素以上的数据进行了标定计算( 仅列出4 倍物镜标定的数据) ，数据结果见 表2 - 2 。 表2 - i 对不同读数微缝的像进行的测置结果 t a b l e2 - 1t h em e a s u r e m e n tr e s u l t so f d i f f e r e n tm i c r o s l o tp i c t u r e s 测微计读数 单位：n l n l o 0 20 0 30 0 4o 0 50 ，0 6o 0 70 0 8o 0 9 微缝像像素跨度 单位：像素 1 32 53 64 85 76 77 88 9 测微计读数 单位：m m 0 1 00 1 1o 6 70 6 8o 6 90 7 0o 7 1 微缝像像素跨度 单位：像素 1 0 21 1 1 7 1 l 7 2 17 3 27 4 37 5 4 第2 章微结构静态几何参数测试系统 表2 - 2 标定计算结果 t 曲l e2 - 2t h ec o u n tr e s u l t so f c a l i b r a t i o n 参与计算的 o 7 10 7 0o 6 9o 6 80 6 70 7 l0 7 00 6 9 测微计读数 单位：m 0 1 10 1 00 0 9o 0 80 0 70 0 6o 0 50 0 4 对应微缝尺寸 单位：i i l l n o 60 60 60 6o 60 6 5o 6 50 6 5 对应微缝像累 跨度6 4 36 4 16 4 35 4 26 4 3 6 9 7 6 9 5 6 9 6 单位：像素 单位像素对应 尺寸0 9 3 3 1 0 9 3 6 00 9 3 3 10 9 3 4 5 0 ，9 3 3 10 9 3 2 60 ，9 3 5 30 9 3 3 9 单位：岍 参与计算的 o 6 80 6 7o 7 10 7 00 6 9o 7 l0 7 0o 7 1 测微计读数 单位：i n m o 0 3o 0 200 4o0 3o 0 20 0 3o 0 2o 0 2 对应微缝尺寸 单位：m m 0 6 50 6 50 6 7o 6 70 6 70 6 80 6 8o 6 9 对应微缝像素 跨度6 9 56 9 77 1 8 。 7 1 87 1 97 2 97 3 0 7 4 1 单位：像素 单位像素对应 尺寸0 9 3 5 30 9 3 2 6o 9 3 3 10 9 3 3 1 0 9 3 1 8 0 9 3 2 8 0 9 3 1 5o 9 3 1 2 单位：姗 单位像素对 应平均尺寸0 9 3 3 3 1 单位：u m 中误差6 0 0 0 1 3 3 单位：g m 极曝堡差眼 0 0 0 3 9 单位：g m 根据误差理论，中误差。定义为 ( 2 2 ) 极限误差限= 3 仉从以上数据可看出，采用4 倍物镜时系统标定的极限误差限 z 0 0 0 4 9 m ：用同样的方法测得的1 0 倍物镜所对应的极限误差限m o 0 0 2 p m ： 4 0 倍物镜对应的极限误差a 限。0 0 0 1 5 1 a m 。用4 倍、1 0 倍和4 0 倍物镜标定的结 果分别为k j = 0 9 3 3 p m - t 0 0 0 4 p m 、k ，- - 0 3 8 4 雌0 0 0 2 p a n 和玛= o 0 9 6 i t m + 0 0 1 5 u m 。 系统经过标定后，在实际测量中产生的误差则主要来源于系统误差和标定产 生的随机误差( a ；+ ) 。作为例子，我们对经过中国计量科学研究院测量标定 的微杆进行测量比较，结果见表2 3 。 i 北京工业大学工学i 受士学位论文 表2 3 测量结果的比较( r a m ) t a b l e2 - 3t h ec o m p a r i s o no f m e a s u r e m e n tr e s u l t s 样本标准直径0 0 4 2 00 0 8 5 0 00 1 2 0 00 2 3 9 8 测量值 0 0 4 1 40 0 8 5 60 1 2 0 50 2 4 0 6 从表中数据可以看出，用螺旋微缝标定法标定的c c d 显微测量系统的测量 精度小于或等于l 岬。实验表明，螺旋微缝标定法能有效减小随机误差；系统参 数一经确定，系统误差则基本确定，并可获得与标准标定方法相近的测量精度。 2 2 ，6 微结构图像测量软件的设计实现 对系统进行标定后，需要采用合适的测量软件来测量微结构图像中各种几何 形状的象素数，从而获得图像的几何尺寸。因此我利用v i s u a lc + + ，基于w i n d o w s 操作系统开发了微结构图像测量软件i m a g e l 0 。其测量原理主要是通过在图像 中创建