MEMS动态测试中频闪同步控制系统

微机电系统(micro electro2mechanical systems,MEMS)经过几十年,特别是最近十几年的发展,在设计、加工、封装等环节积累了相当丰富的知识,出现了以数字微镜阵列(TI公司)和微加速度计(ADI公司)为代表的成熟产品[1].但MEMS本身尺寸微小、工作速度高,传统的测试工具已不能满足MEMS测试的要求,需要开发具有测试MEMS的加工结构、材料特性、机械特性和动态性能等功能的新型仪器,为MEMS器件的设计、仿真和加工提供第一手反馈信息,从而提高MEMS的可靠性和可预见性,推动其产品化进程[2, 3].

　　为此,基于频闪显微干涉技术[4, 5]组建的MEMS动态测试系统,通过对测试器件周期运动瞬间图像的研究,实现MEMS器件的特性分析.频闪同步控制系统是其重要组成部分,因为利用频闪技术获取MEMS器件在不同驱动频率下的清晰图像时,需很好地协调驱动信号、照明信号和图像采集传输存储信号等之间的关系.下面将从设计原理、系统组成和实验结果3个方面详细介绍该系统.

1　频闪成像原理

　　在工作状态下,MEMS器件运动速度一般都很快,即使是高速摄像机也无法抓取清晰的图像,图1是在某一驱动频率连续光照条件下获得的MEMS器件的模糊图像.显然,它无法用于MEMS器件瞬间运动状态的研究.

为获得高速运动器件瞬间的运动状态,采用控制光源照明时间的方法,将器件高速运动的瞬间抓拍下来,亦即在CCD摄像机的曝光时间里,光源照明器件的时间非常短(本系统的频闪时间小于2μs),剩下的绝大部分时间器件没有光源照明,处于黑暗之中,摄像机的感光面只在光照的那段时间内产生光积分;当照明时间足够短,器件在这段时间内的运动位移也就限制在很小的范围内,或者认为基本没有运动,这种方式便可实现对器件运动瞬间的“凝固”,得到器件高速运动瞬间的状态.这就是频闪成像原理[6],如图2所示.

　　频闪技术对摄像机的采集速度没有太高的要求,普通速度的CCD摄像机便能满足.也正是照明时间短暂,一次频闪, CCD摄像机无法获得足够的光强形成图像,因而需要在器件运动状态的同一位置频闪多次,通过累加光强达到成像水平,进而要求测试器件的运动具有周期性,以实现光源每次都能在相同位置实现频闪.在摄像机的每次曝光时间内,运动器件往复周期运动,光源只在每个周期的设定时刻开启照明,持续很短一段时间后熄灭,如此频闪经过若干个运动周期的重复,摄像机的CCD感光面获得足够多来自器件周期运动中某个特定相位的光强信息,完成运动瞬间的抓取.图3即是采用频闪成像原理获得的MEMS器件在某一驱动频率下其中一个相位时的清晰图像.

2　频闪同步控制系统