MEMS微結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)測(cè)試方法及關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、為提高微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS)產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性，推進(jìn)其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，對(duì)MEMS 微結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)機(jī)械特性進(jìn)行測(cè)試具有非常重要的意義。但由于MEMS 微結(jié)構(gòu)本身的極微小尺寸和超高頻振動(dòng)響應(yīng)，以及復(fù)雜的工作環(huán)境，決定了其動(dòng)態(tài)特性測(cè)試的困難性和復(fù)雜性。本學(xué)位論文以此為研究背景，對(duì)條紋圖降噪算法、MEMS 微結(jié)構(gòu)面內(nèi)運(yùn)動(dòng)和離面運(yùn)動(dòng)測(cè)量方法與理論進(jìn)行了系統(tǒng)地研究，并在此基礎(chǔ)上完成了ME

2、MS 微結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)測(cè)試的關(guān)鍵技術(shù)研究與系統(tǒng)實(shí)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(shí)，保護(hù)鋸齒相位圖的2 π跳變邊界不受影響。通過(guò)對(duì)各種濾波算法的應(yīng)用實(shí)例及降噪效果比較，提出了三種實(shí)用有效的干涉條紋圖降噪方案。 為實(shí)現(xiàn)MEMS 微結(jié)構(gòu)平面剛體運(yùn)動(dòng)的快速高精度估計(jì)，提出了亞像素綜合定位匹配算法。該算法綜合利用標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)方差相關(guān)法、相

3、關(guān)函數(shù)曲面擬合法和基于立方插值函數(shù)的亞像素步長(zhǎng)相關(guān)法從像素、粗略亞像素和高精度亞像素級(jí)位置進(jìn)行快速定位，同時(shí)利用序慣相似性檢測(cè)算法和單純形搜索法減少在非匹配點(diǎn)的計(jì)算量，進(jìn)一步提高定位速度。對(duì)于MEMS 微結(jié)構(gòu)離面運(yùn)動(dòng)測(cè)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(dǎo)向圖算法。為避免包裹相位圖中的噪聲點(diǎn)被選為去包裹基點(diǎn)，提出了在“壞點(diǎn)”識(shí)別的基礎(chǔ)上選取基點(diǎn)的方法。為消除由于去包裹基點(diǎn)運(yùn)動(dòng)而引入的離面位移誤差，

4、提出了對(duì)基點(diǎn)沿運(yùn)動(dòng)時(shí)間軸進(jìn)行時(shí)域去包裹得到位移偏移量，進(jìn)行各時(shí)刻位移誤差補(bǔ)償?shù)姆椒ā?設(shè)計(jì)研制了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的MEMS 微結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)。系統(tǒng)包括MEMS微結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)激勵(lì)、溫度壓力加載和微運(yùn)動(dòng)測(cè)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(jié)構(gòu)三維運(yùn)動(dòng)測(cè)量同步控制方法，實(shí)現(xiàn)高頻高速運(yùn)動(dòng)物體在運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)不同時(shí)刻視覺(jué)圖或干涉條紋圖的自動(dòng)采集。針對(duì)相位圖數(shù)據(jù)為浮點(diǎn)型數(shù)值的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了相位圖的自定義文件格式，實(shí)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(duì)相位測(cè)量的誤差影響。對(duì)于凹面系統(tǒng)誤差，提出了通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)平面測(cè)試及最小二乘曲面擬合建立系統(tǒng)誤差模型的誤差補(bǔ)償方法。 對(duì)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(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，取得了滿意的測(cè)量效果，驗(yàn)證了MEMS 微結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)的有效性和實(shí)用性，系統(tǒng)可進(jìn)行MEMS 微結(jié)構(gòu)靜態(tài)測(cè)量和周期性激勵(lì)測(cè)量； 可實(shí)現(xiàn)MEMS 微結(jié)構(gòu)離面運(yùn)動(dòng)和面內(nèi)

6、運(yùn)動(dòng)的可視化測(cè)量；能通過(guò)加載裝置進(jìn)行基礎(chǔ)激勵(lì)及溫度、壓力的精確控制，實(shí)現(xiàn)不同環(huán)境條件下MEMS 微結(jié)構(gòu)靜動(dòng)態(tài)性能測(cè)試。 系統(tǒng)的性能指標(biāo)主要有測(cè)量頻率范圍0~250kHz, 最高激振頻率大于10kHz，離面運(yùn)動(dòng)測(cè)量精度11.2nm，面內(nèi)運(yùn)動(dòng)測(cè)量精度15.2nm；對(duì)于靜態(tài)輪廓測(cè)量，示值誤差不到± 2％，示值變動(dòng)性優(yōu)于1％；具有良好的靜動(dòng)態(tài)測(cè)量可重復(fù)性和穩(wěn)定性。該系統(tǒng)樣機(jī)于2004 年9 月通過(guò)國(guó)家科技部驗(yàn)收，并得到國(guó)家863 計(jì)劃的