MEMS周期运动测试中频闪成像与运动激励的同步控制

　　随着MEMS 从研究阶段逐渐步入产业化阶段, 测试的需求越来越迫切, 特别是运动特性测试对MEMS 器件的设计、加工以及提高可靠性等方面具有重要指导意义。首先, 一些微器件本身就包含工作在振动状态的结构, 其运动特性直接影响整体性能; 其次, 通过测量微结构的谐振频率等运动参数可用于弹性模量、应力等材料力学参数的测量[ 1-3] 。微结构运动特性测量有4 种方法: 1 是连续光照明下摄像[ 4-5] ; 2 是频闪成像[ 6-7] ; 3 是高速摄像[ 8] ; 4 是激光多普勒测速[ 9] 。前2 种适合于周期运动测量, 与机器微视觉技术和显微干涉技术相结合, 可分别实现微结构周期平面和离面运动参数的全视场测量,但是第1 种只能测得运动幅度的最大值; 后2 种适合于瞬态运动测量, 但是第3 种硬件成本非常高, 第4 种属于单点测量, 且在微结构平面运动测量应用中存在一定难度。因此, 频闪成像在MEMS 运动特性测试中得到了广泛的应用。在微结构周期运动测量中, 频闪成像与运动激励的同步控制是基础条件。目前大多数研究报道中都是采用通用仪器的组合和外加相应的延迟电路来实现[ 10-11] , 存在所用仪器设备多、操作复杂而费时、同步性能差等缺点。随着MEMS 测试需求的提高( 运动频率越来越高、运动激励的输入端口数从单路到多路) , 通用仪器组合方式的不足越来越呈现出来, 甚至在一些应用场合已不能满足测试的要求。本文提出了基于FPGA 的用于MEMS 周期运动测试的频闪成像与运动激励同步控制器, 该控制器具有集成度高、成本低、同步性能好、操作简单等特点。

　　1 频闪成像与运动激励同步控制要求

　　MEMS 器件的运动频率一般在几千赫兹到一兆赫兹, 而常规摄像机每秒的采集帧数一般只有几十帧。为了获得MEMS 器件运动瞬间的图像, 照明时间应该尽可能短, 而在单次照明条件下摄像机不能获得足够的光强进行成像, 因此要求MEMS 器件进行周期运动, 照明的频率与其相同, 在MEMS 器件的相同运动位置进行多次曝光来得到在该运动位置的清晰图像, 即频闪成像。为了获得MEMS 器件周期运动的历程, 一般至少需要获得8 个不同运动位置的图像, 因此要求频闪照明与MEMS 器件周期运动激励的相位差可以调整。图1 为频闪成像与运动激励同步控制的时序示意图[ 12] 。

　　频闪照明的频率与运动激励的频率是相同的,单次频闪照明的时间随着频率的增加而减小, 而在相同位置频闪照明的次数可依据采集图像的亮度来进行调整。依据频闪照明的频率和次数, 确定摄像机的触发和曝光时间及图像采集卡的触发时间。基于频闪成像的MEMS 器件运动特性测试的前提条件是稳定的周期运动, 外界环境干扰会对运动周期性产生不同程度的影响, 因此频闪成像与运动激励同步控制的自动化能减少图像获取的时间, 从而能有效地保证数据的准确性。