微機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)測試技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用*

張立平，盧清華（佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院，廣東佛山5283000）

微機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)測試技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用*

張立平，盧清華
（佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院，廣東佛山5283000）

微機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)測試主要是對(duì)微結(jié)構(gòu)的微小位移和變形進(jìn)行測試研究，其結(jié)果直接影響微結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特征和功能，因此在微機(jī)電的發(fā)展過程中非常重要。隨著MEMS的迅速發(fā)展，對(duì)測試技術(shù)不斷提出新的要求，尤其是MEMS動(dòng)態(tài)測試面臨前所未有的挑戰(zhàn)，為此對(duì)國內(nèi)學(xué)者在MEMS動(dòng)態(tài)測試技術(shù)方面的研究成果進(jìn)行了歸納總結(jié)，分析了其應(yīng)用場合和測試范圍，其中非接觸式光學(xué)測試方法在MEMS動(dòng)態(tài)測試中備受關(guān)注，多種方法相結(jié)合的綜合測試技術(shù)成為MEMS動(dòng)態(tài)測試技術(shù)的主要發(fā)展方向。

MEMS；動(dòng)態(tài)測試；光學(xué)測試；綜合測試

當(dāng)今MEMS是微納技術(shù)研究的重要方向之一，它是在微電子技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的多學(xué)科交叉的新興學(xué)科。MEMS微結(jié)構(gòu)測試是微機(jī)電系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)，也是微納技術(shù)研究的重要內(nèi)容，通常MEMS器件的整體尺寸在幾毫米，其關(guān)鍵部件的尺寸在亞毫米至亞微米范圍；另一方面，MEMS系統(tǒng)的極微小尺寸及超高頻振動(dòng)響應(yīng)等決定了其結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性測試的困難性和復(fù)雜性，因此傳統(tǒng)的測試技術(shù)和方法已經(jīng)不能完全滿足其測試要求，于是國內(nèi)外學(xué)者對(duì)MEMS系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)測試技術(shù)和方法展開了大量的研究，并取得了一定成果。本文根據(jù)測量原理，對(duì)MEMS動(dòng)態(tài)特性測試技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用進(jìn)行了研究。

1　基于模糊合成技術(shù)的動(dòng)態(tài)測試

基于模糊合成技術(shù)的動(dòng)態(tài)測試又稱為基于時(shí)間平均技術(shù)的動(dòng)態(tài)測試，最早是由美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室的D.J.Burns等最早提出的，實(shí)現(xiàn)了MEMS器件面內(nèi)微運(yùn)動(dòng)納米級(jí)分辨率的高精密測量。這種測量方法對(duì)器件的上限運(yùn)動(dòng)頻率沒有限制，測量系統(tǒng)比較簡單，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，但測量精度不太高，在亞微米以上。天津大學(xué)陳治副教授將小波變換邊緣檢測技術(shù)與模糊圖像增強(qiáng)技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，提出了MEMS運(yùn)動(dòng)幅值的動(dòng)態(tài)測量方法[1-2]等。

2　基于頻閃成像技術(shù)的動(dòng)態(tài)測試

頻閃動(dòng)態(tài)成像技術(shù)形成后，國內(nèi)有許多學(xué)者對(duì)頻閃成像技術(shù)展開了大量的研究，提出多種新的動(dòng)態(tài)測試方法，并用于MEMS器件的平面或離面動(dòng)態(tài)測試。

2.1頻閃成像與計(jì)算機(jī)微視覺相結(jié)合的方法

美國麻省理工學(xué)院Davis等學(xué)者最早開展了基于頻閃微視覺系統(tǒng)的MEMS微結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性測試研究。他們將頻閃光照技術(shù)與計(jì)算機(jī)微視覺技術(shù)相結(jié)合研制了一種計(jì)算機(jī)微視覺系統(tǒng)(CMVS)，測量頻率高達(dá)100 kHz。該系統(tǒng)可以進(jìn)行面內(nèi)和離面運(yùn)動(dòng)的測量，精度最高可達(dá)2.5 nm。在我國也有很多學(xué)者對(duì)頻閃成像和計(jì)算機(jī)微視覺技術(shù)進(jìn)行了研究，瞿榮輝等將計(jì)算機(jī)微視覺和頻閃成像技術(shù)相結(jié)合，采用光纖邁克爾遜干涉儀對(duì)微機(jī)械部件的微小運(yùn)動(dòng)位移進(jìn)行測量，實(shí)現(xiàn)了MEMS微位移的無接觸測量[3]。東南大學(xué)何小元教授等借助于CCD時(shí)間積分成像方法，用顯微鏡對(duì)微電子機(jī)械系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行了測量，測試中系統(tǒng)只能做定軸轉(zhuǎn)動(dòng)[4]。

基于頻閃微視覺系統(tǒng)的圖像處理過程需要占用大量的計(jì)算機(jī)資源，對(duì)光源和振動(dòng)控制的要求特別嚴(yán)格，但該測量方法不需要復(fù)雜的干涉光路系統(tǒng)及激光光源，同時(shí)能夠進(jìn)行全場測試并方便人機(jī)交互，系統(tǒng)的測量頻率高、測量精度高，因此，這種低成本的計(jì)算機(jī)微視覺方法在微運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

2.2頻閃成像與光學(xué)干涉相結(jié)合的方法

隨著頻閃動(dòng)態(tài)成像技術(shù)發(fā)展，逐漸被用于微結(jié)構(gòu)的測量。早期Hart等人基于頻閃動(dòng)態(tài)成像原理，設(shè)計(jì)了頻閃干涉系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)MEMS微運(yùn)動(dòng)的測量，該系統(tǒng)可以測量微結(jié)構(gòu)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)特性。

我國有很多學(xué)者致力于頻閃技術(shù)的研究，東南大學(xué)何小元教授等研制了一套MEMS高頻動(dòng)態(tài)測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)將頻閃成像技術(shù)和柵線投影方法相結(jié)合，用于微結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)測試，實(shí)現(xiàn)了微器件三維動(dòng)態(tài)變形的測量[5]。天津大學(xué)精儀學(xué)院的研究者陳澄等利用頻閃成像技術(shù)，在Mirau相移顯微干涉技術(shù)的基礎(chǔ)上，建立了一套MEMS動(dòng)態(tài)測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)離面運(yùn)動(dòng)特性的測試，測量分辨率為0.4 nm[6-7]。天津大學(xué)的胡曉東教授提出了MEMS器件面內(nèi)和離面運(yùn)動(dòng)的耦合測量方法[8]，還將數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)應(yīng)用于微結(jié)構(gòu)平面運(yùn)動(dòng)的特性測試中[9]。天津大學(xué)的陳治副教授結(jié)合頻閃成像技術(shù)和相移顯微干涉技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了MEMS器件面內(nèi)和離面運(yùn)動(dòng)的一體化測量[10]。田淑英等采用數(shù)字散斑相關(guān)測量方法能夠?qū)崿F(xiàn)MEMS工藝線的在線測試和質(zhì)量檢驗(yàn)[11]。華中科技大學(xué)史鐵林教授課題組[12]和天津大學(xué)胡曉東教授課題組[13]各自開發(fā)出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的頻閃-計(jì)算機(jī)視覺干涉MEMS三維測量系統(tǒng)，可以測量微結(jié)構(gòu)表面形貌及其運(yùn)動(dòng)，是目前國內(nèi)最先進(jìn)的MEMS動(dòng)態(tài)測量系統(tǒng)。

總之，基于頻閃成像技術(shù)的動(dòng)態(tài)測試方法要么對(duì)工作環(huán)境要求嚴(yán)格，要么對(duì)測試資源要求較高，而且只能進(jìn)行周期性運(yùn)動(dòng)MEMS微結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)測量，于是針對(duì)非周期運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)測試方法得到了一定程度的發(fā)展。

2.3基于激光多普勒的動(dòng)態(tài)測試技術(shù)

激光多普勒動(dòng)態(tài)測試技術(shù)是基于波的多普勒效應(yīng)建立的一種單點(diǎn)振動(dòng)測量技術(shù)，它可以獲得MEMS器件的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)參數(shù)，如瞬時(shí)速度和瞬時(shí)加速度等，該測量方法具有納米級(jí)的測量精度，其技術(shù)本身相對(duì)比較成熟。該技術(shù)配置適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)系統(tǒng)，通過改變和設(shè)計(jì)光路，可用于MEMS器件平面微運(yùn)動(dòng)的測量。隨之發(fā)展起來的掃描激光多普勒測振儀使該系統(tǒng)能用于整個(gè)MEMS結(jié)構(gòu)的振動(dòng)研究。目前該技術(shù)在MEMS器件測量中應(yīng)用集中在器件動(dòng)態(tài)特性的分析。

國內(nèi)北京航空航天大學(xué)的研究者基于Polytec激光測振儀，建立了一套微振動(dòng)測試分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)以激勵(lì)信號(hào)作為線性調(diào)頻信號(hào)，以線性調(diào)頻Z變換（CZT）進(jìn)行頻譜分析，對(duì)機(jī)械式硅諧振傳感器的頻率特性進(jìn)行了測試分析，該系統(tǒng)的測量效率和測量精度都比較高[14]。天津大學(xué)的傅星教授等人將激光多普勒技術(shù)和顯微技術(shù)相結(jié)合，建立了一套MEMS器件的動(dòng)態(tài)特性測量儀，對(duì)微懸壁梁結(jié)構(gòu)的楊氏模量進(jìn)行了計(jì)算分析，并實(shí)現(xiàn)了梁結(jié)構(gòu)離面運(yùn)動(dòng)特性的測試[15]。天津大學(xué)的鐘瑩、張國雄等提出一種MEMS構(gòu)件微小振動(dòng)、位移測量系統(tǒng)，采用外差法激光多普技術(shù)可以實(shí)時(shí)地得到被測的速度、位移、加速度、頻率等參量，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)測量分辨力為20 nm[16]。

激光多普勒測試技術(shù)的單點(diǎn)測量精度很高，能以納米甚至亞納米級(jí)精度實(shí)現(xiàn)頻率達(dá)兆赫茲以上的離面測量，但該方法依賴于較高的光學(xué)拍頻，需要高速的光電探測器，而且必須借助于掃描才能實(shí)現(xiàn)全場測量，特別適合MEMS離面振動(dòng)頻譜的測量。

2.4基于高速攝影成像技術(shù)的動(dòng)態(tài)測試

高速攝影成像的動(dòng)態(tài)測試技術(shù)的研究起源于德國，該技術(shù)將高速攝像機(jī)與顯微鏡相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)非周期或非重復(fù)性平面微運(yùn)動(dòng)的測量，其測量成本較高，實(shí)際應(yīng)用受到限制。目前我國對(duì)該技術(shù)的研究還未見報(bào)道。

上述的四種方法中，頻閃成像與計(jì)算機(jī)微視覺和干涉技術(shù)相結(jié)合的方法以及激光多普勒測振技術(shù)得到了廣泛的研究和應(yīng)用，是當(dāng)前兩種主要的動(dòng)態(tài)測試技術(shù)。但它們無法滿足某些特殊領(lǐng)域和特殊測量的需要，于是出現(xiàn)了一些基于其他原理的MEMS動(dòng)態(tài)測試技術(shù)，用于平面微運(yùn)動(dòng)測量的主要有基于衍射和基于莫爾條紋的測量方法及基于反饋?zhàn)⑷敫缮婧突赬-Ray高速成像的動(dòng)態(tài)測試技術(shù)；離面微運(yùn)動(dòng)測量中有基于激光偏移和基于時(shí)間平均的顯微干涉測量技術(shù)等。

3　MEMS微結(jié)構(gòu)綜合測試技術(shù)

當(dāng)前國外一些公司和學(xué)者還致力于MEMS綜合測試系統(tǒng)的研發(fā)，用于微材料的研究和微結(jié)構(gòu)形狀、面內(nèi)和離面運(yùn)動(dòng)的測量，這將是MEMS測試技術(shù)發(fā)展的大方向。我國在這方面的研究還處于起始階段。

4　總結(jié)

綜上所述，當(dāng)今眾多學(xué)者對(duì)MEMS動(dòng)態(tài)測試的速度、空間精度、靈敏度以及全視場低成本高精度的全視場三維動(dòng)態(tài)測試技術(shù)進(jìn)行了大量的研究。總體上來看，MEMS器件的動(dòng)態(tài)測試技術(shù)主要是機(jī)械工程與材料科學(xué)等學(xué)科傳統(tǒng)的精密測量技術(shù)向微觀領(lǐng)域的擴(kuò)展，其發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)在多種測量方法相結(jié)合、單點(diǎn)測量與全視場測量結(jié)合、靜態(tài)測量與動(dòng)態(tài)測量結(jié)合、周期運(yùn)動(dòng)測量與瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)測量相結(jié)合、非接觸非破壞測量、在線測量、大視場大工作距離測量、高速自動(dòng)化測量和網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程測量等方面。

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(編輯：向飛)

Developmentand App lication of Dynam ic Testing Technology ofMEMS

ZHAGN Li-ping，LUQing-hua
（Mechanicaland Electrical Engineering College，F(xiàn)oshan University，F(xiàn)oshan528000，China）

Micro displacementand deformationsaremainlymeasured in dynamics testingwhich is very important in MEMS for themotion characteristic and function ofmicrostructure.Now MEMSdevelops very quickly，and dynamic testing technologymust keep up the pace. In the paper dynamic testing techniques of MEMS researched in home are summarized.Its application and testing range of various technologiesare analyzed.Resultsshow thatnoncontactoptic testing technique isgettingmore attention and the comprehensive testingwill be themain developmentdirection ofdynamic testing technology ofMicrostructure in MEMS.

microelectromechanicalsystems（MEMS）；dynamic testing；optic testing；comprehensive testing technology

TP271+.4 O348.3

A

1009－9492(2015)04－0057－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.04.015

*國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（編號(hào)：51105077）；廣東省精密裝備與制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目

2014－11－13

張立平，女，1979年生，河北石家莊人，博士，講師。研究領(lǐng)域：機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)及振動(dòng)噪聲。已發(fā)表論文11篇。