（精密仪器及机械专业论文）基于机器微视觉的MEMS平面微运动测试技术的研究(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

摘要 测试技术在微机电系统( m e m s ) 研发过程与产业化过程中具有重要的现实 意义。基于m e m s 的测试技术主要有m e m s 材料特性测试技术、m e m s 动态特 性测试技术、m e m s 可靠性测试技术等方面。其中动态特性测试技术在m e m s 研发过程中具有最为重要的意义。首先，m e m s 的动态特性决定了m e m s 器件 的基本性能；其次，m e m s 微结构三维微运动情况、材料属性及机械力学参数、 m e m s 可靠性与器件失效模式、失效机理等关键问题均可通过m e m s 动态测试 技术加以解决；同时，通过动态测试技术，还可以研究一系列相关的基础理论问 题。因此，m e m s 动态测试技术近年来得到了国内外许多m e m s 研究机构的高 度熏视。 本文设计了一套基于机器微视觉的m e m s 动态测试系统。整个系统的硬件平 台主要由六个模块组成：高压驱动电路模块、频闪驱动电路模块、显微镜模块、 图像采集模块、数据采集与驱动控制模块和测试仪器控制模块。整个系统的软件 平台主要由九个模块组成：图像采集模块、图像预处理模块、图像校正与标定模 块、图像几何尺寸测量模块、图像搜索与匹配模块、数据采集与驱动模块、仪器 控制模块、m e m s 动态特性测量模块、测试报告生成模块。 基于m e m s 动态测试系统，本文提出两种测试技术用于对m e m s 器件平面微运 动特性的测量：模糊图像合成技术与块匹配技术。在模糊图像合成技术中，在连 续光照明条件下，获得一定驱动频率下m e m s 谐振器的模糊运动图像，利用各种 图像处理技术如直方图均衡化，空域平滑及锐化，小波域消噪及增强等，并对它 们进行适当组合对所采集到的原始图像做充分地预处理：再利用边缘点检测技术 测得m e m s 谐振器的运动幅度。由于引入了亚像素定位技术，使得谐振器运动幅 度的测量精度达到了亚像素精度。结合扫频技术得到一系列驱动频率下m e i s 谐 振器的运动幅度，从而获得m e ) a s 谐振器的幅频特性曲线。最终得到m e l d s 谐振器 的谐振频率、品质因数等特性参数。在块匹配技术中，利用频闪成像原理采集高 速运动m e m s 器件的清晰图像，对采集到的一系列不同相位不同驱动频率下m e m s 器件的图像，利用块匹配技术对它们进行分析，从而得到m e m s 器件平面微运动 的运动特性。 关键词：微机电系统，动态测试，模糊图像，图像处理，频闪，块匹配 a b s t r a c t m e a s u r i n ga n dt e s t i n gt e c h n i q u e h a sa c t u a ls i g n i f i c a n c ei nt h ec o u r s eo fr e s e a r c h ， d e v e l o p m e n ta n di n d u s t r i a l i z a t i o no fm e m s + t e s t i n gt e c h n i q u eb a s e do nm e m s m a i n l y i n c l u d e s t e s t i n gt e c h n i q u e o fm a t e r i a l c h a r a c t e r i z a t i o n ，d y n a m i c c h a r a c t e r i z a t i o na n dr e l i a b i l i t yc h a r a c t e r i z a t i o n a m o n gt h o s e ，t e s t i n gt e c h n i q u eo f d y n a m i c c h a r a c t e r i z a t i o nh a st h em o s t i m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ei nt h ec o u r s eo f r e s e a r c h a n dd e v e l o p m e n to f m e m s f i r s t l y , d y n a m i cc h a r a c t e r i z a t i o no f m e m sd e t e r m i n e s t h eb a s i c p e r f o r m a n c e o f m e m s s e c o n d l y , t h e c r i t i c a l p r o b l e m s o nt h r e e d i m e n s i o n a lm o t i o nc o n d i t i o n , m a t e r i a lc h a r a c t e r i z a t i o n ，r e l i a b i l i t y , f a i l u r em o d e ， f a i l u r em e c h a n i s me t c o fm e m sc a na l lb es o l v e db yd y n a m i ct e s t i n gt e c h n i q u e f i n a l l y , as e r i e so f r e l a t e db a s i ct h e o r i e sc a nb es t u d i e db yd y n a m i ct e s t i n gt e c h n i q u e o fm e m s s o m a n y r e s e a r c ho r g a n i z a t i o n so nm e m s p a ym u c h a t t e n t i o nt od y n a m i c t e s t i n gt e c h n i q u eo f m e m s t h i sp a p e rd e s i g n sas e to fm e m s d y n a m i ct e s t i n gs y s t e mb a s e do nm a c h i n e m i c r o v i s i o n t h eh a r d w a r ep a r to ft h ew h o l es y s t e mc o n s i s t so fs i xm o d u l e s ：h i g h v o l t a g ed r i v i n g c i r c u i t m o d u l e ，s t r o b o s c o p i cd r i v i n g c i r c u i t m o d u l e ，m i c r o s c o p e m o d u l e i m a g ea c q u i s i t i o nm o d u l e 。d a t aa c q u i s i t i o na n dd r i v i n gm o d u l ea n d t e s t d e v i c ec o n t r o l l i n gm o d u l e t h es o f t w a r ep a r to ft h ew h o l es y s t e me o n s i s t so fn i n e m o d u l e s ：i m a g ea c q u i s i t i o nm o d u l e ，i m a g ep r e p r o c e s s i n gm o d u l e ，i m a g ec a l i b r a t i n g a n d s t a n d a r d i z i n gm o d u l e ，i m a g ep h y s i c a l d i m e n s i o nm e a s u r i n gm o d u l e ，i m a g e s e a r c h i n g a n d p a t t e r n i n gm o d u l e ，d a t aa c q u i s i t i o n a n d d r i v i n gm o d u l e ，d e v i c e c o n t r o l l i n gm o d u l e ，d y n a m i cc h a r a c t e r i z a t i o nm e a s u r i n gm o d u l e a n dt e s t r e p o r t g e n e r a t i n gm o d u l e b a s e do nd y n a m i ct e s t i n gs y s t e m ，t w ot e s t i n gt e c h n i q u e sh a v eb e e ng i v e ni nt h i s p a p e ro nm e a s u r i n gi n - p l a n ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f m e m s ：b l u r i m a g es y n t h e t i c t e c h n i q u e a n db l o c k m a t c h i n gt e c h n i q u e n 把c o u r s e o fb l u r i m a g es y n t h e t i c t e c h n i q u ec h a r a c t e r i z e s a sf o l l o w e d a tt h ec o n d i t i o no fc o n t i n u o u sl i g h t i n gb l u r i m a g e s o fm e m sr e s o n a t o ra tc e r t a i nd r i v i n gf r e q u e n c ya r ea c q u i r e d u s i n ga l lk i n d s o fi m a g ep r o c e s st e c h n i q u e ss u c ha sh i s t o g r a me q u a l i z a t i o n ，s p a c ea r e as m o o t h i n g a n d s h a r p e n i n g ，w a v e l e t a r e a d e l e t i n g n o i s ea n de n h a n c i n g e t c u s i n g t h e s e t e c h n i q u e sa n da s s e m b l i n gp r o p e r l y c a np r e p a r eo r i g i n i m a g es u f f i c i e n t l y a r e r p r e p a r i n g ，a m p l i t u d eo fm e m s r e s o n a t o ri s a c q u i r e db ye d g ed e t e c t i o nt e c h n i q u e t e s t i n gr e s u l tp r e c i s i o na c h i e v e ss u b - p i x e lb e c a u s e o f s u b - p i x e lo r i e n t a t i o nt e c h n i q u e c o m b i n gs w e e p f r e q u e n c yt e c h n i q u ea m p l i t u d e so fm e m s r e s o n a t o ra tas e r i e so f f r e q u e n c i e sa r ea c q u i r e d s oa m p l i t u d ef r e q u e n c yr e s d o n s ec h a r a c t e r i s t i c sc u r v eo f m e m sr e s o n a t o ri so b t a i n e d a tl a s tt h er e s o n a t o rf r e q u e n c ya n dq u a l i t yf a c t o ro f m e m sr e s o n a t o ra r ec o m p u t e d o nt h eb l o c km a t c h i n gt e c h n i q u ec l e a ri m a g e so f h i g h - s p e e dm e m s d e v i c ea r ea c q u i r e db a s e do ns t r o b o s c o p i ci m a g i n gp r i n c i p l e t h e n u s i n gb l o c km a t c h i n gt e c h n i q u et oa n a l y z et h e s ei m a g e sw i t hd i f f e r e n tp h a s e sa n d d i f f e r e n td r i v i n gf r e q u e n c i e sa n dt oa c h i e v ei n p l a n em o t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fm e m s d e v i c e k e y w o r d s ：m e m s ，d y n a m i ct e s t i n g ，b l u ri m a g e ，i m a g ep r o c e s s ，s t r o b o s c o p i c ， b l o c k m a t c h i n g 独创性声明 本人声明所里交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁盗盘鲎或其他教育机构的学位或证 书面使用过的材料。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。 学位论文作者签名：座凄土签字日期：j o 。，年，月p 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘洼盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤连盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：金晕武导师繇渤必导师签名：r 旷、 签字日期：p 。年j 月占日签字日期：钾j 年6 月，日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 微机电系统概述 微电子机械系统( m e m g ) 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，它以微电子及机械加工技术为依托，范围涉及微电子学、机械学、力学、 自动控制学、材料科学等多种工程技术和学科。完整的m e m s 是由微传感器、微 执行器、信号处理和控制电路、通讯接口和电源等部件组成的一体化的微型器件 系统。其目标是把信息的获取、处理和执行集成在一起，组成具有多功能的微型 系统。完成大尺寸机电系统所不能完成的任务，也可以嵌入大尺寸系统中，从而 大幅度地提高系统的自动化、智能化和可靠性水平。 m e m s 是受集成电路工艺的启发发展起来的，它具有集成电路系统的许多优 点，同时又集约了多种学科发展的尖端成果。m e m s 的特点是：1 ) 微型化：m e m s 器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短。1 4 e m s 的尺 度范围如图1 1 所示。 图1 1m e m s 的尺度范围 2 ) 以硅为主要材料，机械电器性能优良：硅的强度，硬度和杨氏模量与铁相当、 密度类似铝。热传导率接近钼和钨。3 ) 批量生产：用硅微加工工艺在一片硅片 上可同时制造成百上千个微型机电装置或完整的m e m s 。批量生产可大大降低生 产成本。4 ) 集成化；可以把不同功能、不同敏感方向或制动方向的多个传感器 或执行器集成于一体，或形成微传感器阵列、微执行器阵列，甚至把多种功能的 微传感器集成在一起，形成复杂的微系统。微传感器，微执行器和微电子器件的 集成可制造出可靠性、稳定性很高的m e m s 。5 ) 多学科交叉： m e m s 技术表现为 多学科前沿高度综合、交叉和渗透，应用领域非常广阔，主要表现在： 信息领域的光开关及其阵列、光无源互连耦合器、可调滤波器、光相干 第一章绪论 探测器、微透镜、r fm e m s 开关、m e m s 可调电容、电感等： 传感器领域的微加速度计、微机械陀螺、压力传感器、流量传感器、温 度传感器、湿度传感器、气体传感器等： 生物与医疗领域的生物芯片、微型流体通道分析系统、毛细管电泳、微 型喷雾器、l a bo nc h i p 等。 图l 2 为m e m s 器件模型，它包括感知和控制外界信息( 力、光、磁、热、 化等) 的传感器和执行器，以及进行信号处理和控制的电路，是更广泛意义上的 集成芯片系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 。 l 查睁 匝丑知 匝丑知 传障拟i陋字i峰拟i执 匝口 感 叫篡羞h 篡羞h 篓螽卜 行 陬：可b 器器 垒 i 其它hi 与其它系统的接口 感测量光电磁微机理 圈l 一2m e m s 器件模型 m e m s 的发展非常迅速，从1 9 5 9 年美国物理学家、诺贝尔奖获得者r f e y n m a m 提出微型机械的设想，表明了m e m s 技术的萌芽；八十年代末期美国u c b e k e l e y 采用微电子技术中的表面牺牲层技术制备可动执行部件，m e m s 技术开始迅速进 入系统研究阶段；九十年代美国a d i 公司利用与i c 集成的表面牺牲层技术成功 地形成了微加速度计的市场，标志着m e m s 进入产业化阶段；进入九十年代末， 国际上m e m s 专利的申请呈现出指数上升趋势，m e m s 的应用日益增长。预计m e m s 的全球市场今年将增长到数百亿美元以上，而在1 9 8 9 年它们还仅仅是低效能、 寿命短、没有实用价值的实验产品。目前的m e m s 就象6 0 年代末的集成电路，具 有很大的发展潜力。 m e m s 的发展将对2 1 世纪的人类生产和生活方式产生革命性的影响，成为关 系到国民经济发展和国家安全保障的战略高技术，已引起了广泛的关注。 m e m s 器件的研发过程如图1 3 所示。在整个研发过程中，测试起了关键的 作用。m e m s 器件加工好后，需要经过测试才能得到器件的性能，然后决定下一 步的工作。因此集成化、自动化的m e m s 测试系统对于更好地进行故障定位，优 化m e m s 的设计和加工工艺，加速研发进程，降低封装成本等都具有十分重要的 现实意义。 第一章绪论 图l 一3m e m s 器件的研发过程 1 2 微机电系统测试技术国内外研究现状 m e m s 器件除了电子系统外还包含了非电子系统，对m e m s 除了进行相关的电 子学测试外，还应包括微机械结构和形貌测试、微机械动态特性测试、微机械光 学特性测试等，因此m e m s 的测试要比集成电路的测试更为复杂，对测试系统也 提出了更高的要求。 1 2 1 微观测试方法与m e m s 测试需求 m e m s 器件大部分是三维微细结构，其结构尺寸一般在微米量级，因此测试 其结构和形貌的精度应在微米甚至纳米量级，这就要求采用高精度的测试技术与 设备，如扫描电子显微镜、扫描探针显微镜、扫描激光显微镜、原子力显微镜 ( a f m ) 、激光干涉测量技术等。微观状态各种表面形貌测量方法和技术参数如表 1 1 所示。 表l 一1 表面形貌测量方法、特征和技术参数 方法主要特征垂直分辨率水平分辨率 金刚石触针与被测表面接触并沿 触针式轮廓仪横向移动，表面的凸凹不平转化 0 1 n mo 2 1 1 m 为触针的垂直位移。 光切法 lu i l l2 0 um 全积分散射法 ( t i s ) 测量散射损失，给出r q 值 0 0 2 n m 离焦误差检测检测表面微观起伏对物镜焦点的 1 n m1um 法 偏离量，把离焦量转为电信号。 被测表面微观起伏偏离物镜焦点 共焦扫描法时给出误差信号，控制探针扫描， 1 5 n m1u m 保持共焦状态。 团 卜 翮一 第一章绪论 外差干涉法光频调制和相位测量 o 1 n m lu i i l m i c h e l s o n ，m i r a u ，l i n i k ， 干涉显微镜 0 1 n mo 5 1um n o m a r s k i 直流 0 0 2 n m0 1 n m 原子力显微镜 交流 0 o l n mo 1 n m 光子扫描隧道 1 n ml o n m 显微镜 扫描近场光学 2 0 n m2 0 a m 显微镜 根据m e m s 器件的功能和应用环境条件，需要测试的特性参数多种多样，如 电压、电流、电容、阻抗、频率、振动、位移等，且信号非常微弱，因此在测试 前必须对这些信号进行调理、放大、变换等，使其满足信号采集的要求。m e m s 正处于迅速发展之中，各种新技术、新器件不断涌现，同时在加工过程中涉及到 许多新工艺、新方法，这就要求测试系统具有很好的灵活性和扩充性，满足自动 测试的要求。m e m s 产品各阶段对测试系统的要求如表l 一2 所示。 表1 - - 2m e m s 产品各阶段对测试系统的要求 产品阶段研发阶段 中试阶段大规模生产 验证器件是否符合设计 证明器件能满足大 目的效益 要求规模生产的要求 器件加工过程在线测试 产品试研发阶段测 产品试验阶段测 测试系统 器件特性的测试 试系统的所有功能 试系统的所有功 器件的性能补偿和校准 能 的功能不合格产品的剔除， 测试设备的并行 器件可靠性测试 产品特性的统计等。 封装对器件性能的影响处理能力 对测试系交互性、灵活性、可扩 生产测试验证、产品 高效、快速的自 验证，预测生产测试 动化大批量测 统的要求充性 试，和较低的测 费用 试费用。 m e m s 测试系统是一个典型的光、机、电、算集成系统。采用虚拟仪器技术 充分利用现有的计算机软硬件资源是解决这一问题的有效途径。 第一章绪论 1 2 2m e m s 测试技术国外研究现状 目前国际上m e m s 测试技术与测试手段的研究正在进行，针对不同的m e m s 器件和应用目的，已经研制开发出一些有实用价值的测试仪器与设备。 1 、m e m $ 材料特性测试技术 在m e m s 结构设计和可靠性分析时，追切需要知道所用材料( 如s i 、s i 0 2 、 a l 和a u 等) 微结构的力学特性参数( 如弹性模量、断裂强度、拉伸力等) 。目 前材料在微观尺度下的特性测量主要应用激光干涉测量0 1 、原子力显微镜“1 、 m e m s 执行器o 7 1 等设备和技术来进行。 文献 1 应用激光干涉测量技术来测试通过k o h 、e d p 、t m a h 和x e f 2 四种刻 蚀形成的单晶硅栅的杨氏模量、断裂强度、拉伸力和表面形貌等机械特性，图l 一4 为测试系统原理图。通过测试结果和实际值的比较，说明该技术具有较好的 实用性。 图1 4 基于激光干涉的单晶硅栅机械特性测试原理图 在不破坏材料的情况下，文献 2 应用激光干涉技术来测量m e m s 的材料特性， 悬臂梁在不同情况下的干涉图如图1 5 ，通过对干涉图的分析，得到悬臂梁的 材料特性，具有高精度和高分辨率、高置信度和在线测试等特点。 图1 5 悬臂粱在不加静电对的干涉图悬臂梁在加3 8 v 静电时的干涉图 2 、m e m s 动态特性测试技术 m e m s 动态特性测试技术是m e m s 测试的重要内容，特别是对有活动部件的 第一章绪论 m e m s 结构和器件更是如此。目前国外对微观尺度下m e m s 动态特性的测试方法进 行了很多有益的探索和研究，也取得了一些有实用价值的研究成果，如应用闪频 干涉测量按术妒1 ”采集高速振动( m h z ) 的m e m s 活动部件的运动图像，分析其动 态特性；通过激光干涉测量中的移相技术。”和计算机视觉中的亚像元分析技术 “”提高测量精度。 应用闪频干涉测量技术，美国u cb e r k e l e y 大学b s a c 研究中心研制成功的 m e m s 动态特性测试仪，如图1 6 所示。该系统可测试m e m s 器件的三维运动和 结构变形，应用图像处理技术分析激光干涉图像，具有很高的精度“”1 。 图1 - - 6 。m f 2 t s 动态特性测试系统示意图 美国m x t 的f r e e m a n 教授领导的研究小组研制的基于计算机视觉的m e m s 测 试系统如图l 一7 所示，它由光学显微镜、视频图像采集、激光干涉系统、压电 陶瓷和控制系统组成，通过图像的梯度分析运动估计来获得部件的平面运动信 息，应用计算机视觉技术来分析参考镜面在不同位置时的干涉图像，获得m e m s 结构的三维运动信息，通过亚像元分析技术来提高精度，具有纳米级的精度。 实物照片如图1 8 所示。 瓷 图1 7 测试系统组成示意图 图1 - 8r a m s 测试系统实物 第一章绪论 图1 9 为应用该测试仪构建的基于计算机网络的测试系统示意图。 图1 9 基于计算机网络的测试系统示意图 高速图像采集和分析是研究m e m s 器件动态特性的一个有效方法。文献 1 0 应用闪频干涉显微镜来测量m e m s 器件的静态和动态特性，通过优化的f f t 算法 对干涉图像进行解调，便其具有较好的分辨率。文献 1 1 应用相移闪频干涉测量 技术能采集到高速( m h z ) 图像，能测量纳米级( 1 0 n m ) 的振动。文献 1 3 应用 高速摄影技术来研究m e m s 器件的动态特性，基于模型的分析算法对这些高速图 像序列进行分析，可计算出器件的性能参数。 3 、m e m s 可靠性测试技术 可靠性是m e m s 器件能否成功应用的一个关键。m e m s 是微电予和微机械的有 机结合，其可靠性测试方法和失效分析手段比微电子复杂得多。为搞清m e m s 器 件的失效机理与失效模式，国外对m e m s 器件的可靠性测试与分析开展了许多研 究工作，如通过实际观察m e m s 器件在各种情况下的工作特性，应用图像分析和 处理技术研究m e m s 的可靠性“”1 ；应用a f m 来研究m e m s 在各种条件和环境下的 长期可靠性“”；通过常规的跌落试验来研究m e m s 结构的可靠性“”；通过静电方 法来测试m e m s 结构的断裂情况，分析其可靠性“。 美国s a n d i a n 国家实验室是m e m s 这一新兴领域的一个先驱，以物理学为基 础自行研制了的一套m e m s 器件可靠性测试系统s h i m m e r ( s a n d i ah i g hv o l u m e m e a s u r e m e n to fm i c r o m a c h i n er e l i a b i l i t y ) ，如图1 一1 0 所示。该系统由计算 机、显微镜、高精度c c d 摄像机、测试环境与控制、x y 方向测试控制台、激励 控制等组成，通过对测试环境的控制，一次可试验2 5 6 个m e m s 器件，用高精度 的光学显微镜和视频摄像机观察和记录m e m s 器件的各种状态，分析m e m s 失效的 机理和失效模式m “。 第一章绪论 图1 1 0 m e m s 可靠性测试系统框图 4 、m e m s 综合测试系统 目前国外一些公司正在研制开发集成化的m e m s 综合测试系统，如e t e c 公司 的m s t e p 3 、i n t e r s c i e n c e 公司的m e m s p e c 。”、v e e c o 公司的m e m s 3 5 0 0 。”等。 图1 1 1 美国e t e c 公司开发的m e m s 测试系统( m s t e p ) 的结构示意图。由 接口模块、参数测量模块和测试软件组成。系统基于w i n d o w sn t 操作系统， 采用图形化界面，内建仪器自测试和校准程序，是集成化的测试系统，具有圆片 级( w a f e r ) 、芯片级( d i e ) 和器件级( d e v i c e ) 测试能力。 图1 1 im s t e p 测试系统的结构示意图 - s 第一章绪论 实物照片如图1 1 2 所示。 图1 1 2m s t e p 测试系统实物图 m s t e p 因采用虚拟仪器和传统仪器相结合的模块化结构，在基本系统的基 础上，针对不同m e m s 器件的测试要求，可配置出满足惯性( w s t e p i ) 、压力 ( m s t e p p ) 和光m e m s 器件( m s t e p - o ) 的测试需求，具有较好的灵活性和扩充性 1 ；也可以根据m e m s 器件的研发、小批量试验和大批量生产等不同阶段对测试 系统的要求进行配置。 应用垂直扫描干涉测量和光学相移技术，美国v e e c o 公司研制的m e m s 自 动测试系统m e m s 3 5 0 0 如图1 1 3 所示，它采用非接触方式获得器件的三维形 貌，能对m e m s 光开关、压力、r f 和惯性器件进行测试，具有纳米级精度。 图1 1 3m e m s 3 5 0 0 测试系统 i n t e r s e i e n c e 公司的m e m s p e c 测试系统如图l 1 4 所示，它由无接触测量 工具( 如激光测量、显微镜图像采集系统等) 和探针台集成在一起，支持i e e e 4 8 8 标准，可方便的和测试仪器相连。能满足各种工艺( 表面工艺、体硅工艺和l i g a 等工艺) 加工成的m e m s 器件的测试，具有圆片和芯片测试能力，能应用于惯性 第一章绪论 传感器、压力传感器、光m e m s 、流体m e m s 、生物m e m s 和微组装系统等的功能特 性和电子、机械特性参数测试，具有可靠性分析、流体分析和运动分析能力。系 统具有很好的扩充性和灵活性，能满足不同的客户需求。 图1 1 4m e m s p e c 测试系统 美国v e e c o 公司应用触针表面轮廓分析技术研制成功的m e m s 测试系统 d e k t a ks e r i e sv 如图1 一1 5 所示，能够测量m e m s 器件的三维形貌，具有很大 范围的测量能力( 垂直方向上：i n , n s t e p ，水平方向上：3 0 0 0um x3 0 0 0um ) ， 能够测量刻蚀速率的均匀性等。 图l 一1 5d e k t a ks e r i e s 测试系统 文献 2 5 提出了一种能够测试1 0 _ 6 9 分辨率的高灵敏度隧道加速度计的测试 方法，其测试框图如图1 1 6 所示。 第一章绪论 图1 1 6 高灵敏度隧道加速度计测试系统的框图 国外典型的m e m s 测试系统性能比较如表1 - - 3 ，它们针对不同m e m s 器件的 测试要求，可满足惯性、压力、光、r f 、流体和生物等m e m s 器件的测试需求。 但这些测试仪器大部分仍在研制之中，而且价格昂贵。 表1 3 典型的m e m s 测试系统性能比较 系统名称 m s t e ps m i sc m v sm e m s p e cm e m s 3 5 0 0s h i m m e r i n t e r s c is a n d i a 研制单位 e t e cb s a cm i tv e e c o e n c el a b ， 激光干闪频干涉光学移相激光干涉 涉测量 闪频、移 测量和计 闪频测量 和白光垂测量和显 测量原理相激光干 算机视觉 和显微视 直扫描干微图像分和运动 涉测量觉 分析分析涉测量析 m o t i o n w y k o a n a l y z e m i c r o v i s v i s i o n 3 2 软件系统 w i n d o w s1 0 nw i n d o w sw i n d o w s w i n d o w s w i n d o w sw i n d o w s n t n t 商品化 计算机控计算机视 的光、 制的闪觉和闪频 探针台和灵活的非m e m s 可靠 特点机、电集 频、移相干涉测 激光非接接触三维性测试系 成测试 干涉测量量。 触测量。测量。统 系统。 第一章绪论 惯性、压 惯性、压力、r f 、 光开关、 摩擦、冲 力和光光、生物 微镜、可 m e m s 器 和流体等 调谐r f 击、振动、 件的性 m e m s 器件m e m s 器件 m e m s 器件 滤波器、 驱动信 能特性、 的二维、的二维、 的性能测 加速度、 号、温湿 三维运 三维运动三维运动陀螺和压 度、存储 应用领域分析与测 分析与测 试、机械 力等m e m s 环境等对 动分析 量、表面量、表面 和电参数m e m s 器件 与测量、 形貌测形貌测 提取、三 器件的特 的影响， 表面形 量。量。 维运动分 性测量、 分析其失 貌测量、析、静态 运动分 可靠性摩擦和可 析、表面 效模式， 分析等。靠性研究 形貌测量 研究可靠 等。 性。 等。 圆片、芯 圆片和芯圆片和芯 圆片和芯 圆片和芯芯片和器 测试目标片和器 片门片片件 件 可测频率范 1 h z o0 一 0 0 - , l m h z 围1 q m h z l o o k h z 测 平面 2 0 ) t m1 5 9 m 5 0 m m 量 外 范 平面 1 册5 0 0 岫 5 p j n l m m 围 内 测平面 0 5 n m1 n m5 n m 高压- - 4 5 0 v ( 2 2 5 v ) ； 高压摆率一1 0 0 0 v u s ； 高输出电流一2 0 0 m a 。 所设计的电路原理图如图2 4 所示。 整个电路的主要功能即是将由计算机多功能数据采集卡或任意函数发 生器输出的士i o v 电压信号放大到一定的电压值，最大输出士2 0 0 v ，作为待测 m e m s 器件的驱动电压。为了满足不同m e m s 器件的驱动电压需求，整个电路 设计了3 档增益：i o x ，2 0 x 及可调。通过计算机多功能数据采集卡或任意函 第二章基于机器微视觉的m e m s 动态测试系统 数发生器输入的不同类型的信号，此电路可以产生各种波形的信号，通过对 增益的调节，还能输出不同的电压值，从而满足各种m e m s 器件的驱动电压 需求。 图2 4 高压驱动电路原理图 2 2 2 频闪驱动电路模块 m e m s 器件的运动频率都相当高，一般在1 0 k 5 0 0 k h z 左右。如果用摄像 机在连续光照下采集高速运动的m e m s 器件的运动图像，得到的图像是模糊的， 而在第四章中所讨论的基于块匹配技术的m e m s 动态特性测试方法需要一系列 不同相位不同驱动频率下m e m s 器件的清晰图像。为了能够采集到m e m s 器件 运动时的清晰图像，本文采用频闪成像技术( 频闪成像原理在第四章具体讨论) 。 根据频闪成像原理，设计了一套频闪驱动电路，用于采集高速运动的m e m s 器 件的清晰图像。图2 5 为频闪驱动电路的原理图。 图2 5 频闪驱动电路原理图 第二章基于机器微视觉的m e m s 动态测试系统 整个电路选用e l 6 2 4 9 c 作为驱动芯片，驱动高亮的激光二极管l u x e o “s t a r 发光。利用函数发生器或计算机多功能数据采集卡数字i 0 线产生频率与m e m s 运动频率相同的窄脉冲信号，用它作为e l 6 2 4 9 c 的控制信号，然后设置合适的外 接电阻即可让e l 6 2 4 9 c 输出适当的电流来驱动l e d 发出所需的频闪光作为照明信 号。对于某一相位下m e m s 器件的运动图像则通过c c d 摄像机在此位置多次曝光 来获得。为了能够得到某一相位下m e m s 器件的清晰图像，必须保持频闪照明电 路模块的窄脉冲信号和m e m s 高压驱动电路模块的输出信号之间的同步。 2 2 3 图像采集模块 基于机器微视觉的m e m s 动态测试系统。首先需要利用摄像机采集到图像， 然后由图像采集卡将采集到的图像输入计算机，这是后续图像处理和分析的前 提。摄像系统的好坏直接关系到后续图像处理的结果，所以摄像机的选择极为关 键。c c d 摄像机以其简便、经济、可靠等诸多优点而成为机器视觉中图像摄取的 主要方案。由于m e m s 器件的尺度小，都是微米级甚至为纳米级精度，因此为了 有较好的成像质量，c c d 的像元尺寸要小，且填充因子要高，从而提高成像范围 及分辨率。通过比较，柯达( k o d a k ) k a f l 6 0 1 型号的高精度科学级c c d 数字摄 像机性能完善，能够满足应用需求。它的扫描方式是逐行扫描( p r o g r e s s i v e s c a n ) 。它的空间分辨率达1 6 0 万像素，每一个像素有1 0 2 4 级灰度。c c d 成像面 积1 5 3 4 x 1 0 2 4 象素，c c d 象素尺寸为9 u m x 9 u m ，1 0 0 填充因子( f i l lf a c t o r ) 。 在基于p c 机的机器视觉系统中，图像采集卡是控制摄像机拍照、完成图像 采集与数字化，协调整个系统的重要设备。在m e m s 动态测试系统中，由于测试 的是m e m s 器件的动态特性，因此所使用的数字图像采集卡应具有高速、高分辨 率的特点。同时考虑到本系统是基于l a b v i e w 开发平台，为了方便使用，选用了 n i 公司的p c i l 4 2 2 这一型号的图像采集卡。这款型号的图像采集卡特点为高速、 高分辨率。它是1 6 位数字图像采集卡，图像采集卡的像素时钟频率为4 0 m h z 。 板卡上有1 6 m b 大小的存储器，这可以保证图像传输的实时性。 2 2 4 显微镜模块 m e m s 器件都是微米级的器件。直接用肉眼无法观察。因此需要在显微镜下 进行观察和成像。显微镜的性能也直接关系到成像系统所成像的质量。为了能够 使所成的像清晰，选择高性能的显微镜是非常必要的。通过对不同品牌不同型号 的显微镜的比较，选用了z e i s s 公司的a x i o p l a n2i m a g i n g 型号的显微镜。其 示意图如图2 6 所示。它的光路中最大一个特点是消杂散光光路。其光路示意 图如图2 7 ( b ) 所示。图2 7 ( a ) 则为传统的光路图。这种光路设计特别适 合低对比度的观察物。 第二章基于机器微视觉的m e m s 动态测试系统 图2 6 显微镜示意图图2 7 ( a ) 传统光路图 ( b ) 消杂散光光路图 2 2 5 数据采集与驱动控制模块 利用计算机控制多功能数据采集卡可以产生m e m s 器件运动所需的驱动信 号。而且也可以用其产生频闪驱动电路所需的窄脉冲信号。为了满足使用需求， 数据采集卡需有1 2 位精度，至少有两路输出。n i 公司的p c i 6 0 7 0 e 这款多功能 数据采集卡( 含a d 和d a ) 满足使用要求。其d a 信号刷新速率为1 2 5 e i z ， 1 2 位精度。1 6 路单端( 8 路差动) 输入，两路输出。利用它来产生m e m s 器件运动 所需的驱动信号及频闪驱动电路所需的窄脉冲信号。a d 则作为系统功能扩展用， 可以用来分析各种实验数据。 2 2 6 测试仪器控制模块 m e m s 器件运动所需的驱动信号也可以由函数任意波形发生器产生。为了方 便使用，可以通过g p i b 总线实现对函数任意波形发生器的控制。本文选用的函 数任意波形发生器是a g i l e n t3 3 1 2 0 a 这一型号。通过计算机编程，还实现了扫 频功能。即可以由函数任意波形发生器产生一系列不同频率的信号，为m e m s 器件动态特性的测量提供所需的驱动信号。除了函数任意波形发生器，还通过 g f i b 总线实现对数字万用表a g i l e n t3 4 4 0 1 a 的控制。利用数字万用表可以测薰 m e m s 测试中的一些电学信号。 2 3m e m s 动态测试系统的软件平台 m e m s 动态测试系统基于w i n d o w s 2 0 0 0 ，以l a b v i e w 软件作为开发平台，这使 得整个系统的人机界面比较友好，并加快了整个软件的开发研镱4 速度。l a b v i e w 是一种基于g 语言( g r a p h i c sl a n g u a g e ，图形化编程语言) 的虚拟仪器软件开 发工具，它使用“所见即所得”的可视化技术建立人机界面，提供了一个直觉式 的环境，与测量紧密结合，能让工程师与科学家们迅速开发出有关数据采集、分 析及显示的解决方案：提供了丰富的函数库供用户直接调用。n i 公司的i m a q v i s i o n 提供了完整的图像处理函数库，如各种类型的滤波、边缘检测算子、形 第二章基于机器微视觉的m e m s 动态测试系统 态学算法、f f t 、统计、几何变换与