[发明专利]一种用于微结构三维形变和位移测试的干涉测量系统

说明书

技术领域

本发明属于光测力学、工程材料、工程力学技术领域，特别涉及一种微机电系统的光学三维形变和位移测试的干涉测量系统，该发明可实现MEMS等微结构的三维形貌测试以及静动态特性的测试。

技术背景

MEMS是指集微型执行驱动器、微型结构的传感器、信号处理与控制电路等部件于一体的，同时具有采集、处理与发送信息或指令信息，而且能够按照获取的信息自主的或者根据外部指令采取行动的微机电器件，其中微执行驱动器是实现MEMS运动的关键部件，所以MEMS的动态机械特性的测试对其设计、制造和可靠性都有重要的意义。但是MEMS微驱动器往往非常细小，常规接触式测量方法无法实现，因而要求采用基于光学的非接触式测量方法。又由于MEMS微驱动器的最大振动挠度往往处于微米级，所以要求相应的测量分辨率达到微米级甚至纳米级。

目前可达纳米级精度的测量方法有：云纹干涉法、ESPI法、全息干涉法、白光干涉法、扫描隧道显微镜法等，其中云纹干涉法是比较主流的试验方法。但是目前的测量方法和设备大多是在实验室隔震平台上临时搭建的散装结构或结构复杂笨重、不便于移动且功能单一，难以解决现场工程问题。

中国专利号200410000005.0[多功能三维位移激光干涉测量系统，戴福隆，谢惠民，方岱宇，尚海霞，刘战伟，2004]提出了一种多功能三位移激光干涉测量系统。该系统在传统二维云纹干涉仪的基础上增加了一个泰曼-格林干涉光路，该系统虽然实现了三维测量，但是在测量面内位移时，只能针对竖直平面内固定的水平会铅垂方向位移场，无法完成一般方位位移场的测量，例如u-v长的45°夹角方向等。同时该系统结构复杂，元器件有40多个且位置分散，不利于移动携带。

中国专利号200910115552.6[一种移动式云纹干涉仪，李禾，张少钦，邓颖，王应明，2009]提出了一种移动式云纹干涉仪，该系统是在传统二维云纹干涉仪的基础上增加了一个u-v场分离装置，并实现±90°旋转功能，可解决被测试件正交光栅非竖直、非水平方向的位移场测量，但是该系统只能实现面内位移场的测量，无法实现三维全场测量。MEMS微驱动器的微梁在纵横弯曲作用下的挠度为离面位移，所以此系统对于MEMS微梁的测试具有很大的局限性。

发明内容

本发明提供的是一种用于微结构三维形变和位移测试的干涉测量系统，不但能实现离面位移实时测量，还可以实现面内位移的全景测量，集制栅、测试与一体，且结构紧凑，使用方便，可解决工程现场问题。

本发明的技术方案如下：

一种用于微结构三维形变和位移测试的干涉测量系统，包括激光器平台、三维光测平台和六方向自由度载物台。其特征在于激光器平台包括用于将激光器发出的光变成线偏振光的偏振片，光纤耦合器；测量激光通过激光耦合器经过一个全反镜、扩束准直镜后进入面内-离面测量分光装置，测量面内位移时，两组面内位移控制快门开启，同时离面位移控制快门关闭，步进电机通过传输带控制转盘旋转，其中转盘上有两个对称的进光孔，并装有与进光孔一一对应的一组固定全反射镜，可形成一堆对称入射的±1级入射光。通过旋转转盘便可实现对铅垂面内任意方向的位移场测量。测量离面位移时，两组面内位移控制快门关闭，同时离面位移控制快门开启，w场入射光路经一分光棱镜后分为两束光，其中一束光直接透过该分光棱镜到一个全反镜上，反射后再经该分光棱镜到达图像采集摄像系统，另一束光经该分光棱镜后到达试件，经试件表面的光栅反射后穿过分光棱镜到达图像采集系统。

本发明所述的一种用于微结构三维形变和位移测试的干涉测量系统可实现试件表面的光栅制作，打开面内位移控制快门，关闭离面位移快门，对试件表面的光刻胶进行曝光，便可实现简单的制栅功能，通过旋转转盘，实现面内任意方向的正交光栅。

本发明所述的激光器平台在所述的激光器平台中的激光器、偏振片和光纤耦合器被封装在一个暗盒子中，暗盒通过紧固螺钉固定在工作台上。

面内-离面分光装置通过可伸缩支杆和可旋转底座安装在工作台上，面内-离面分光装置的转盘上上有两个进光孔和一个通光孔，并装有与进光空一一对应的全反镜与控制快门，步进电机通过传输带同步控制转盘绕通光孔轴心360°自由旋转，故只需一组全反镜片便可实现传统的固定的u-v场分离装置功能，且能对铅垂平面内任意两个正交方向的位移场进行测试，其中通光口末端通过可伸缩支杆和可旋转磁性底座固定在工作台上，起整个面内-离面分光装置支承架作用。

面内和离面分光装置上的射入试件的一组全反镜分别装有压电陶瓷相移器。测量离面位移光路中的全反镜背面装有压电陶瓷相移器。