基于拉曼光谱仪的MEMS动态应力测试系统

微机电系统(MEMS)动态应力的瞬态特性决定了传统的应力测试系统无法直接满足它的测试需要.介绍了一种依据高频调制原理设计实现的基于拉曼光谱仪的MEMS动态应力测试系统,该测试系统是一个典型的光-机-电集成的MEMS测试系统.利用此测试系统时硅微谐振器支撑梁根部的单点进行了动态应力测试,测试结果与理论分析相吻合.实验表明,此测试系统具有高精度、非接触式、无损伤等特点,能很好地满足MEMS动态应力测试的需求.     

基于机器微视觉的MEMS平面微运动测试技术

随着微电子机械系统(MEMS)研究的深入和产业化的需求,检测技术在MEMS中的重要性越来越大。基于机器微视觉原理组建MEMS动态测试系统,在此系统之上,提出模糊图像合成技术对MEMS器件的平面微运动特性如谐振器的运动幅度、谐振频率等重要参数进行了测试,给出了测量结果,并对测试结果进行了分析和讨论。     

微机电系统动态测试技术的发展及应用

微机电系统动态测试主要是对微结构的微小位移和变形进行测试研究,其结果直接影响微结构的运动特征和功能,因此在微机电的发展过程中非常重要.随着MEMS的迅速发展,对测试技术不断提出新的要求,尤其是MEMS动态测试面临前所未有的挑战,为此对国内学者在MEMS动态测试技术方面的研究成果进行了归纳总结,分析了其应用场合和测试范围,其中非接触式光学测试方法在MEMS动态测试中备受关注,多种方法相结合的综合测试技术成为MEMS动态测试技术的主要发展方向.     

一种环境可控的MEMS微结构离面动态变形测试系统

利用Linnik显微干涉技术和环境控制技术,研制了一套环境可控的微机电系统(MEMS)微结构离面动态变形测试系统,该系统可测量不同温度、不同压力下MEMS微结构的离面动态变形情况。测试系统的环境控制装置可提供0～300℃的温度变化和0.1～0.6MPa的压力变化。利用测试系统对不同压力下绝压型硅微压力传感器膜的动态变形以及不同温度下微电路板的变形形貌进行了测量,其中绝压型硅微压力传感器膜变形量的测量重复性误差小于20nm。     

MEMS动态测试系统中频闪驱动电路的实现

在MEMS动态测试过程中,由于MEMS器件的运动频率都比较高,如何获得高速运动的MEMS器件的清晰图像,是MEMS动态特征提取与分析的前提.本文基于机器微视觉的MEMS动态测试系统,设计了一套频闪驱动电路,用于采集高速运动的MEMS器件的清晰图像.从而为后续MEMS器件动态特征的提取和分析做充分的准备.     

微机电系统测试技术及方法

微机电系统 (MEMS)测试技术及方法是MEMS设计、仿真、制造及质量控制和评价的关键环节之一,本文对MEMS测试技术及方法所涉及的微机械量、微几何量、微材料特性以及系统综合参数与性能的测试技术及方法进行了讨论。重点介绍了光学及光电检测技术在微机电系统检测中的应用,对计算机微视觉检测技术在微机电系统检测中的应用进行了探讨。     

高温环境下微悬臂梁谐振频率温度特性及测试技术研究

对单晶硅微悬臂梁在高温环境下的动态特性进行了理论分析,研制了高温环境下的MEMS动态特性测试系统,采用压电陶瓷作为底座激励装置的驱动源,设计了一个可动的机构,解决了压电陶瓷在高温环境下使用的难题;通过激励装置进行冲击激励,使用激光多普勒测振仪对微悬臂梁的振动响应进行检测,对微悬臂梁受冲击后的时域信号进行分析,获得微悬臂梁的谐振频率。利用研制的高温环境下MEMS动态特性测试系统,在室温至300℃的温度环境下对单晶硅微悬臂梁的动态特性进行了测试,结果表明随着温度的升高其谐振频率会有轻微的减小,验证了理论分析的结果。     

低温环境下MEMS微构件的动态特性及测试系统

研究了微机电系统(MEMS)微构件的谐振频率等动态特性在低温环境下的变化规律,从理论上分析了改变环境温度对微悬臂梁谐振频率的影响,并对低温环境下微构件的动态特性测试技术进行了研究。研制了低温环境下MEMS动态特性测试系统,采用半导体冷阱实现低温环境,利用压电陶瓷作为底座激励装置的驱动源,通过底座的冲击激励,使微悬臂梁处于自由衰减振动状态,使用激光多普勒测振仪对微悬臂梁的振动响应进行检测,从而获得微悬臂梁的谐振频率。利用研制的测试系统,在-50℃～室温的环境下对单晶硅微悬臂的谐振频率进行了测试,结果表明,随着温度的降低,微悬臂梁的谐振频率略有增大,其谐振频率的温度变化率约为-0.263 Hz/K,与理论分析的结果基本一致。该测试装置能够有效地完成在-50℃～室温环境下微构件的动态特性测试。     

基于高速摄影动态测试微陀螺振动

针对微机电系统(MEMS)特征尺寸小,常用的动态测试方法和系统还有一定的缺点等问题,本文在介绍MEMS常见的三种动态测试方法的基础上,给出了一种基于高速摄影的微陀螺振动动态测试系统。介绍了系统的硬件架构和软件功能。在动态测试的关键算法上,应用Otsu算法对图像进行分割,使用感兴趣区域(ROI)和不变矩方法得到振动曲线,通过幅频分析得到微机械陀螺的振动特性。实验结果表明:使用这种方法测量振幅的精度达到了0.1 μm;频域测量的重复性和一致性也较好。这种动态测试方法稳定可靠、精度高、抗干扰能力强,可以极大地减少计算量,提高系统运行速度。     

MEMS中微结构动态测试技术进展

MEMS功能主要通过微结构部件的微小位移和变形实现，故其动态性能测试至关重要，但MEMS结构由于其尺寸小，传统的动态测试方法已经难以达到要求，而光学测试技术是非接触测量，且具有定位准确、测试精度高、响应快的特点，使其在MEMS结构动态测试中发挥着越来越重要的作用。介绍并分析了频闪显微干涉、计算机微视觉、激光多普勒测振、电子散斑干涉和光纤测试等MEMS动态测试技术，讨论了其应用场合和测试范围。     

基于块匹配的MEMS平面纳米精度运动测量

MEMS谐振器周期运动过程中各个时刻的运动特性及其动态特性参数, 为MEMS器件的设计提供重要参考。本文提出一种基于块匹配方法的灰度补偿亚像素运动估计算法。该算法可以对因图像灰度变化而引起的误差进行补偿,实现纳米级分辨力测量。利用该算法对MEMS器件的运动历程做分析,得到特定驱动频率下MEMS器件的幅度－相位曲线。实验结果表明,该方法测量重复性为5nm。     

基于相位相关技术的MEMS旋转角度的高分辨力测量方法

实现MEMS微结构周期运动过程中各个时刻的旋转角度及其动态特性参数的高分辨力测量, 为提高MEMS器件的性能和可靠性分析提供重要参考。针对频闪成像技术获得的微结构运动图像序列,提出了一种基于相位相关技术与Radon变换技术相结合的旋转角度测量方法。该方法通过Radon变换将图像的空间坐标转换为极坐标的参数空间,使得空间坐标的旋转投影为参数坐标得平移运动,再通过相位相关技术的亚像素运动估计算法,可得到物体旋转角度的高分辨力测量结果。实验结果表明,该方法旋转角度测分辨力优于0.01°。该方法可以有效的减少由于旋转产生形变对测量结果的影响,提高测量结果的稳定性和减少测量误差。     

基于多图像融合的MEMS显微三维形貌重构

针对微型机电系统(MEMS)的三维测量,显微镜或光学轮廓干涉仪等传统方法存在显微测量精度低、设备成本高等问题,且当结构含有较多断裂面时,解包裹算法效果欠佳。本文提出一种基于多图像融合的MEMS显微三维测量方法。不同于多角度显微三维测量方法,本研究首先利用单目显微镜,通过单一轴向移动获取一系列测量目标深度信息的单一角度图像,并利用去雾算法对图像进行预处理,实现了去噪和有效信息提取的目的;然后通过聚焦测度算法获取待测对象的深度信息;最后利用数据处理软件进行三维拟合。基于上述原理,本文以焦平面阵列(FPA)作为待测目标进行了测量实验。本文提出的三维测量方法和图像处理算法可获得更准确的FPA形貌,可清晰显示反射面与支腿部分及反射面上的释放孔,测得FPA的支腿长度为110.6μm,每个反射面的像元尺寸为120.8μm×70.8μm,与设计值基本吻合,解决了断裂面难以测量的问题,同时降低了微结构测量的难度和成本。单目显微镜单向移动的多图像融合测量技术对MEMS的三维形貌测量具有重要意义,去雾算法在图像融合与三维测量的图像处理也有很好的应用价值。     

微机电系统静动态测试技术研究

在中国国家863高技术发展计划MEMS重大专项课题《MEMS动态特性频闪干涉视觉三维测量技术及系统》资助下，研发微机电系统(Micro Electro Mechanical System , MEMS)动态特性三维测量技术与系统。对已有的微几何量、微材料力学性能和MEMS动态参数测试方法进行研讨。 几何尺寸和表面形貌轮廓的测量是MEMS测量的基础。二维微几何量检测采用普通光学显微镜和扫描电子显微镜。表面形貌测量大致可分为接触式测量和非接触式测量，机械触针式轮廓仪是典型的接触式测量仪器，非接触式测量大多采用光学技术，主要有光针式轮廓仪，采用光切、干涉、投影光栅和微视觉等测量方法。     

多晶硅微构件拉伸破坏特性的测量

硅表面工艺是微型机械制造的重要工艺,而多晶硅是表面工艺中最常用的主要材料,它的力学特性直接关系到微型电子机械系统的可靠性和使用寿命,因此对其破坏特性的研究是非常有必要的。本文在概述了国外对体硅工艺和表面工艺制作的构件材料破坏特性研究情况的基础上,提出了利用旋转台对表面工艺制作的多晶硅微梁进行拉伸破坏实验的方法,并在制作的测量系统上进行了实验,得出多晶硅微梁的拉伸破坏强度大于2．0GPa。     

Dynamic identification of electrostatically actuated MEMS in the frequency domain

Micro-electro-mechanical systems (MEMS) are commonly constituted by suspended structures such as beams and spring-supported plates and are applied in a wide range of fields such as sensing, optics, radio frequency communications, fluidics, biology, etc. The components that form the basis of MEMS devices are often actuated using electrostatic capacitive strategy, and performances are improved by the micro-scale dielectric gap between the electrodes. The dynamic dimensioning and characterization are made more complicated by the nonlinearity of the electrostatic actuation and by the electro-mechanical coupling, which involves the capacitive force and the elastic reaction of the structure. The dynamic characterization is affected by specific problems related to electro-mechanical coupling, which need a dedicated approach. Some of the effects that take place during the dynamic tests on electrostatically actuated MEMS are studied in this work and are described using compact analytic models; using the proposed approaches, results of experiments in the presence of electro-mechanical coupled domains can be predicted and interpreted correctly. Structural properties such as residual stress or strain dependent on the fabrication process may influence the measurements in both, the static and dynamic fields. The goal of this study is to describe the most common experimental problems related to the dynamic characterization of electrostatically actuated microsystems; theoretical approaches that are able to describe the effects involved are proposed to predict and interpret experimental results.     

面向MEMS构件在线检测和三维外型测量的立体视觉系统

开发了可用于MEMS微制造和微装配过程的一种面向MEMS构件的在线监测和三维外型测量的视觉系统。介绍了该系统的设计、结构、工作原理及实现，并讨论了立体视觉模块的一些关键技术。参考微操作系统的原理，将立体视觉技术引入MEMS构件的检测，实现了由体视显微镜和一个CCD摄像机构建光学系统的三维外型视觉测量系统。实验结果表明，该系统是一种有效的三维检测解决方案。加以少量结构改进，该系统可以用于微制造和微操作过程中对MEMS构件的在线监测和三维外型的视觉测量。     

测量微悬臂梁曲率的相移显微干涉法

提出了一种基于显微干涉和有限差分法在微悬臂梁上实现曲率精确测量的方法.该方法将使用相移显微干涉法测得的微悬臂梁表面弯曲信息与用有限差分法解析的弯曲量进行对比,再运用拟牛顿算法或最小二乘法得到曲率的最佳匹配值.实验结果表明:使用该方法可获得弯曲量测量值和解析值之间的均方根差值在1.5 nm以内的精确曲率值,并且一定的像素偏移带来的误差对曲率测量的结果影响很小.由于方法保留了光学干涉法高分辨率及高精度等优点,并考虑了非理想边界条件的影响,在MEMS残余应力和应力梯度测量中具有较大实用价值.     

MEMS in-plane motion/vibration measurement system based CCD camera

We report on the development of a vibrometer for in-plane motion which is particularly suitable for Micro Electro Mechanical System (MEMS) samples. The system combines a conventional microscope, coherent electronics and a Full Frame CCD camera. Stroboscope lighting allows the system to freeze the motion. The obtained images correspond to different phases of the sample motion. Different subpixel motion measurement algorithms are compared in terms of precision and computation time. An algorithm that we specially design for this application proved to be the best. It is based on the shift Fourier theorem and uses first harmonics, where most energy is present. Thus the system allows computing the phase and magnitude of the sample displacement. With the system we can obtain a measurement resolution of 100 pm demonstrated on the AFM cantilever vibrations measurement. The effect of the edge roughness was studied. It decreases the performance of the algorithm but roughness is very low on most MEMS applications. This method based on a CCD camera, is very well suited for measuring in-plane MEMS vibration since it does not require surface roughness for scattering the light as with the speckle methods (for example). It can quickly obtain full field motion, with a high precision. Furthermore, the used algorithm is simple, fast and very noise insensitive.