MEMS微結構動態(tài)測試方法及關鍵技術研究.pdf

1、為提高微機電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS)產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性，推進其產(chǎn)業(yè)化進程，對MEMS 微結構動態(tài)機械特性進行測試具有非常重要的意義。但由于MEMS 微結構本身的極微小尺寸和超高頻振動響應，以及復雜的工作環(huán)境，決定了其動態(tài)特性測試的困難性和復雜性。本學位論文以此為研究背景，對條紋圖降噪算法、MEMS 微結構面內(nèi)運動和離面運動測量方法與理論進行了系統(tǒng)地研究，并在此基礎上完成了ME

2、MS 微結構動態(tài)測試的關鍵技術研究與系統(tǒng)實現(xiàn)。 研究了條紋圖降噪算法，包括條紋圖普通降噪算法、旋濾波算法和SUSAN 濾波算法。提出了新的鋸齒相位圖濾波算法，在有效濾除噪聲的同時，保護鋸齒相位圖的2 π跳變邊界不受影響。通過對各種濾波算法的應用實例及降噪效果比較，提出了三種實用有效的干涉條紋圖降噪方案。 為實現(xiàn)MEMS 微結構平面剛體運動的快速高精度估計，提出了亞像素綜合定位匹配算法。該算法綜合利用標準化協(xié)方差相關法、相

3、關函數(shù)曲面擬合法和基于立方插值函數(shù)的亞像素步長相關法從像素、粗略亞像素和高精度亞像素級位置進行快速定位，同時利用序慣相似性檢測算法和單純形搜索法減少在非匹配點的計算量，進一步提高定位速度。對于MEMS 微結構離面運動測量，研究了相位去包裹算法，包括傳統(tǒng)的相位去包裹算法、抗噪聲的分割線算法和質(zhì)量導向圖算法。為避免包裹相位圖中的噪聲點被選為去包裹基點，提出了在“壞點”識別的基礎上選取基點的方法。為消除由于去包裹基點運動而引入的離面位移誤差，

4、提出了對基點沿運動時間軸進行時域去包裹得到位移偏移量，進行各時刻位移誤差補償?shù)姆椒ā?設計研制了具有自主知識產(chǎn)權的MEMS 微結構動態(tài)測試系統(tǒng)。系統(tǒng)包括MEMS微結構基礎激勵、溫度壓力加載和微運動測量三大功能模塊。根據(jù)系統(tǒng)的同步控制要求，提出了MEMS 微結構三維運動測量同步控制方法，實現(xiàn)高頻高速運動物體在運動周期內(nèi)不同時刻視覺圖或干涉條紋圖的自動采集。針對相位圖數(shù)據(jù)為浮點型數(shù)值的特點，設計了相位圖的自定義文件格式，實現(xiàn)相位圖數(shù)

5、據(jù)的有效存取。分析了相移器移相偏差及系統(tǒng)光源對相位測量的誤差影響。對于凹面系統(tǒng)誤差，提出了通過標準平面測試及最小二乘曲面擬合建立系統(tǒng)誤差模型的誤差補償方法。 對硅微陀螺儀、微鏡、微壓力傳感器、微諧振器陣列及AFM 微懸臂梁等典型MEMS 微結構進行了實驗研究，取得了滿意的測量效果，驗證了MEMS 微結構動態(tài)測試系統(tǒng)的有效性和實用性，系統(tǒng)可進行MEMS 微結構靜態(tài)測量和周期性激勵測量； 可實現(xiàn)MEMS 微結構離面運動和面內(nèi)

6、運動的可視化測量；能通過加載裝置進行基礎激勵及溫度、壓力的精確控制，實現(xiàn)不同環(huán)境條件下MEMS 微結構靜動態(tài)性能測試。 系統(tǒng)的性能指標主要有測量頻率范圍0~250kHz, 最高激振頻率大于10kHz，離面運動測量精度11.2nm，面內(nèi)運動測量精度15.2nm；對于靜態(tài)輪廓測量，示值誤差不到± 2％，示值變動性優(yōu)于1％；具有良好的靜動態(tài)測量可重復性和穩(wěn)定性。該系統(tǒng)樣機于2004 年9 月通過國家科技部驗收，并得到國家863 計劃的