基于亚像素综合定位匹配算法的MEMS平面运动测量

动态测试对MEMS的设计、制造和可靠性具有非常重要的意义．提出了快速高精度的综合亚像素定位匹配算法,应用于MEMS平面运动测量．该综合算法把标准化协方差相关法、亚像素步长相关法、曲面拟合法、序惯相似性检测算法和单纯形法有机结合,综合运用各算法的优点,达到了提高亚像素定位速度和精度的目的．通过位移测量实验和对硅微陀螺仪质量块面内振动及谐振频率的测量,验证了该综合算法的可行性和有效性．     

微/纳结构三维形貌高精度测试系统

为实现微/纳结构三维形貌的高精度测量,提出利用显微干涉技术和偏振技术相结合的方法来研制微/纳结构三维形貌亚纳米级精度测试系统.首先,利用五步相移干涉技术采集5幅带有n/2相移增量的干涉条纹图.然后,通过Hadharan五步相移算法得到包裹相位图.最后,利用分割线相位去包裹算法和相位高度关系转换得到微/纳结构三维形貌.在测试过程中通过偏振片产生强度可调的线偏振光,再由1/2波片改变偏振光在分光镜中的分光比,补偿参考镜与试件的反射性能差异,可得到亮度适中且对比度高的干涉条纹图,从而有利于实现微/纳结构三维形貌的高精度测量.系统的轮廓算术平均偏差R_a的重复测量精度可迭0.06 nm,最大示值误差不到±1%,示值变动性不到0.5%.通过对标准多刻线样板、硅微麦克风膜和硅微陀螺仪折叠梁的三维形貌测量验证了系统的有效性和实用性.     

基于条纹图的微结构离面运动特性测量

为了测量微结构离面（Out—of—plane）运动特性,利用频闪显微干涉技术设计研制了微结构离面运动测试系统,首先采集微结构运动周期内不同时刻的一系列干涉条纹图,并通过SUSAN滤波算法对各干涉条纹图进行降噪处理,再利用5步相移算法从干涉条纹图中提取被测微结构的相位信息得到包裹相位的锯齿型条纹图,并采用质量导向图法进行去包裹处理,最后根据相位高度关系式可得到被测微结构运动周期内不同时刻的形貌图及其离面运动曲线。通过实验对正弦基础激励下硅微悬臂梁的离面振动响应进行了有效测量,且测量重复性小于10nm。     

微电容加速度计结构的热固耦合拓扑优化

基于连续体结构拓扑优化的SIMP材料插值模型,建立了热固耦合场结构的有限元控制方程;通过伴随矩阵方法,研究了热固耦合场的敏度分析问题;以叉指式微电容加速度计质量块受热膨胀后,在加速度检测方向的最大形变不大于某一给定值为目标,以质量块的体积比为约束条件,建立了质量块结构的热固耦合拓扑优化模型;采用优化准则算法进行迭代求解后,得到了微电容加速度计质量块的最优拓扑形式,当工作温度在0～300℃范围内变化时,该拓扑形式在加速度检测方向的最大形变仅为23.9nm。     

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。     

基于协调同步控制的MEMS微运动测量

为协调有效地利用频闪成像、显微视觉和相移干涉技术实现微机电系统(MEMS,micro-electro-me-chanical systems)微运动的可靠测量,提出了一种改进的协调同步控制方法,该方法通过2块5 MHz频率的任意波形发生卡实现激光二极管(LD,laser diode)脉冲信号和MEMS激励信号的同频率相对延时,最小延时增量可达0.3 ns,最小脉冲宽度可达10 ns。基于该方法构建的测试系统可实现MEMS的离面(out-of-plane)和面内(in-plane)微运动的自动测量。通过对硅微悬臂梁离面振动以及硅微谐振器阵列面内振动的实验测量验证了新协调同步控制方法的有效性和实用性,其中离面微运动测量重复性误差小于10 nm,面内微运动测量重复性误差小于25 nm。     

基于SIMP模型的微电容加速度计结构拓扑优化

基于连续体结构拓扑优化的SIMP材料插值模型,以微电容加速度计结构弹性梁和质量块检测方向的柔度最大化,非检测方向的柔度最小化为综合相对柔度目标,以检测方向的谐振频率尽可能小于非检测方向谐振频率为抗横向干扰能力目标,一定体积比作为约束条件,建立了微电容加速度计弹性梁和质量块结构拓扑优化设计模型,采用优化准则算法进行迭代求解计算,通过二维数值算例验证了优化模型的有效性,为研究微电容加速度计结构优化设计提供了一种新的思路和方法.     

MEMS三维静动态测试系统

采用集成频闪成像、计算机微视觉和显微干涉技术,研制了微机电系统(MEMS)三维静动态测试系统。系统可进行MEMS面内刚体运动、表面形貌、垂向变形和离面运动的测量。对于面内运动测量,提出了基于立方样条插值的亚像素步长相关模板匹配算法,从MEMS视觉图中提取面内位移,匹配精度为0．02pixels。对于离面运动测量,采用Hariharan 5步相移干涉(PSI)算法和去包裹算法,离面运动测量分辨率可达1nm。通过对Si微压力传感器膜和Si微陀螺仪的静动态测试,验证了系统的适用性和可靠性。     

利用Linnik显微干涉技术测量微结构动态特性

为了实现微结构的离面运动、幅频特性和谐振频率等动态参数的测量,设计开发了微结构动态测试系统,采用Linnik显微干涉结构,具有放大倍率高和工作距离长的特点.首先,系统利用频闪成像技术、五步相移方法和分割线去包裹算法测量微结构离面运动,然后,再通过扫频技术得到微结构的幅频特性和谐振频率.利用该测试系统对硅微悬臂梁的离面振动和幅频特性进行了测试,实验结果表明:硅微悬臂梁的谐振频率为13.03kHz,离面振动测量重复性误差小于10nm.系统具有较好的测量可重复性和较高的测量精度,能满足微结构动态特性测量对测试系统的性能要求.     

微电容加速度计多目标结构拓扑优化设计

针对微电容加速度计一阶固有频率和横向抗干扰能力进行多目标拓扑优化设计,建立了微电容加速度计弹性梁和质量块的一阶固有频率最大和横向抗干扰能力最强的多目标结构拓扑优化模型,以体积比作为约束条件,采用优化准则算法进行迭代求解,获得在不同权值下的微加速度计弹性梁和质量块的多种优化的结构拓扑形式,计算结果表明,通过多目标结构拓扑优化设计可以有效地提高微电容加速度计的综合性能.