MEMS三维动态测试系统的同步控制方法

　　1　引　　言

　　随着MEMS的迅速发展,其对测试系统的需求越来越迫切。由于大部分MEMS器件的振动响应频率都比较高,而一般CCD相机只有每秒25帧(PAL制)或每秒30帧(NTSC制)的采样率,无法胜任MEMS超高频振动响应的运动细节测量。为实现MEMS或其它微结构的超高频超高速运动测量,在MEMS动态测试中采用频闪成像技术是一种行之有效的方法。频闪成像的基本原理[1～3]:对高速且具有周期性运动的物体,如果用一持续时间极短的脉冲频闪光去照射它,并使频闪光的闪光频率等于物体运动的变化频率,则当每次闪光时,物体运动总是到达同一位置,人眼观察或系统拍摄的仿佛是一幅“冻结”不变的静止图像。逐渐调整频闪光脉冲相对于物体运动的延时,则可获得一系列“冻结”不变的静止图像,每一图像对应物体运动周期内的某一相对时刻。频闪成像的原理如图1所示。这样,系统获取运动图像的时间分辨率不再由CCD相机的帧采样率决定,而取决于频闪光进行同步闪光时所能调整的最小延时增量。

　　将频闪成像、相移干涉和计算机视觉技术相集成研制了MEMS三维动态测试系统,实现高速运动MEMS器件机械动态特性的非接触纳米精度测量。在测试过程中协调各项技术之间相互作用关系,使之有机相结合,实现计算机全自动控制是系统的关键所在。在分析系统测量原理及精确同步控制要求的基础上,详细讨论了系统中计算机精确同步控制设计及相对延时和多线程等关键技术。相对延时精度可达50ns,延时和脉冲宽度范围为100ns～0.8s。系统同步控制在对压力传感器膜表面形貌和硅微陀螺仪质量块振动的测试中,取得了良好的控制效果。

　　2　系统测量原理及同步控制要求

　　测量原理如图2所示。系统由偏振型显微干涉仪、显微视觉系统、频闪照明系统、PZT相移器、多功能数据卡、图像采集系统及测试软件组成。

　　遮光闸遮住射入参考平面镜的光线,系统的光学子系统为显微视觉系统。通过多功能数据卡提供周期性激励信号和脉冲信号,使MEMS器件周期性运动,同时激光二极管(laser diode,LD)发出频闪光。使LD频闪光的闪光频率与MEMS器件周期性激励信号的频率相等,利用频闪成像技术,即使MEMS器件做超高频高速运动,系统拍摄的总是“冻结”不变的图像。通过调整频闪光脉冲与激励信号的相对延时,可获得该激励周期内不同时刻的多幅视觉图[4]。采用亚像素模板匹配法对视觉图进行处理,可得MEMS器件面内刚体运动情况。

　　光线通过遮光闸时,系统的光学子系统则为偏振型Twyman-Green显微干涉仪。通过相移干涉,参考镜产生Nλ/8(λ为频闪光波长,N=0,1,2,3,4)微小位移,可获得不同移相的一组(5幅)干涉图像集。通过频闪照明和相对延时,可获得MEMS器件激励周期内不同时刻的多组干涉图像集[4]。对干涉图集采用相移算法计算其包裹相位,对包裹相位图进得组内、组间去包裹,可得到MEMS器件的表面静态形貌、垂向变形和离面运动情况。