[发明专利]微纳器件离面运动测量中面内误差检测装置及补偿方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种运动误差的补偿方法。特别是涉及一种微纳器件离面运动测量中面内运动误差检测装置及补偿方法。

背景技术

微/纳机电系统(Micro/Nano ElectroMechanical System，MEMS/NEMS)是集传感、信息处理和执行于一体的集成微系统。近年来已经成为重要的高新技术领域和研究工作的热点，其研究和开发热点囊括了传感、致动、射频(RF)、光学、生化、军事、航空航天和医学等器件。这些器件的特征尺寸为微米、纳米级别，其强大的生命力在于小体积、大批量、低成本和高可靠性，这使得MEMS/NEMS具有广泛的应用前景。MEMS成为了21世纪最具发展前途的科研领域之一，它的迅速发展对现有的精密测试技术提出了更高的要求，即更大的视场、更高的横向和纵向分辨率，更大的动态测试频谱宽度等。

MEMS的动态特性决定了许多MEMS器件的基本性能，如结构的固有频率、振动模态、品质因数、响应时间和阻尼系数等；其次，材料的属性和机械力学参数以及器件的可靠性等关键问题均可以通过MEMS动态测试技术加以解决；同时，通过动态测试技术，还可以研究一系列相关的基础理论问题，如微尺度下空气流动粘滞阻尼效应对微结构活动构件运动性能的影响机制等。因此，MEMS的动态测试技术在MEMS的发展中具有极其重要的地位。目前广泛应用于MEMS动态测试的技术主要有：激光多普勒振动测试技术，计算机微视觉测试技术和光学干涉测试技术等，其中基于计算机微视觉的相移显微干涉测量凭借其简单快捷、无损、高精度和高垂直分辨率等特点而被广泛使用。这种方法通过获取被测表面的干涉图像并对其进行相位提取和展开从而获得器件的离面运动信息，垂直分辨率可以达到纳米级。

然而，传统的相移显微干涉法得到的是被测器件的干涉图像，多采用三步或五步相移算法，并且仅适用于只有离面方向运动的器件的测量。然而，微纳器件在实际运动过程中都是三维运动，在离面运动的同时也伴随着面内运动。如果器件在三维方向上运动，器件在不同运动位置时其每一点在视场中成像位置都会有偏移，只有确定了面内运动偏移量才能得到准确的离面运动测试结果。然而面内运动测试需要器件的亮场图像，即非干涉图像，如果再进行非干涉条件下的二次测量会因为器件本身、系统和环境因素的影响带来多种不确定性，影响测量结果的可信度。这时就需要新的算法能够在一次相移干涉显微测试中同时完成面内和离面这两种运动测试，并用面内测量结果对离面运动进行补偿。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种适用于具有周期运动或可重复的瞬态运动特征微/纳器件的测试中的微纳器件离面运动测量中面内运动误差检测装置及补偿方法。

本发明所采用的技术方案是：一种微纳器件离面运动测量中面内误差检测装置及补偿方法。微纳器件离面运动测量中面内运动误差检测装置，有控制及图像处理单元，以及与所述的控制及图像处理单元相连接的相移显微干涉系统，其中，所述的相移显微干涉系统包括有：

依次设置的用于得到被测微纳器件的图像的：振动隔离台、三维微动探针台、被测微纳器件、显微干涉仪、纳米定位仪以及显微镜；

频闪照明控制器，为系统提供照明；

高压运放驱动器，连接被测微纳器件，用于驱动被测微纳器件运动；

任意波形发生器，输入端连接控制及图像处理单元，输出端分别连接频闪照明控制器和高压运放驱动器，在控制及图像处理单元的控制下分别向频闪照明控制器和高压运放驱动器发出驱动信号；

CCD摄像机，与显微镜相连，用于通过显微镜摄取被测微纳器件的图像；

图像采集卡，分别连接控制及图像处理单元和CCD摄像机，用于采集CCD摄像机所摄取的被测微纳器件的图像，并将该图像存储在控制及图像处理单元中。

所述的控制及图像处理单元还分别连接图像采集卡、CCD摄像机和纳米定位仪，用于协调图像采集卡、CCD摄像机和纳米定位仪的动作。

所述的控制及图像处理单元是由计算机构成。

一种用于微纳器件离面运动测量中面内运动误差检测装置的运动误差的补偿方法，包括如下步骤：

1)通过微纳器件离面运动测量中面内运动误差检测装置，采集被测微纳器件的动作图像；

2)进行面内位移测试，对步骤1在各个准静态位置处采集的干涉图像，利用图像配准算法获取被测微纳器件亮场图像，再采用块匹配算法计算得到被测器件的面内位移情况；