利用微運(yùn)動分析儀研究MEMS器件的運(yùn)動特性

費(fèi)杰

綜合分析計算及控制的微運(yùn)動分析儀，再研究微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）中的可動部件運(yùn)動特性。微機(jī)電系統(tǒng)能夠測量微小頻率的運(yùn)動特性，達(dá)到毫米級的分辨能力。本文將通過研究微加工的諧振器運(yùn)動特性來說明微運(yùn)動分析儀器的相應(yīng)功能。

微機(jī)電系統(tǒng)是在半導(dǎo)體技術(shù)之上發(fā)展過來的，所涉及到的設(shè)計技術(shù)、加工技術(shù)和封裝技術(shù)等均比半導(dǎo)體技術(shù)更為復(fù)雜。美國實驗室研究表明微機(jī)電系統(tǒng)的可靠性動態(tài)測試系統(tǒng)主要采用光學(xué)顯微鏡來詳細(xì)記錄微機(jī)電系統(tǒng)在 不同狀態(tài)之下的運(yùn)動狀況，再清楚分析失效模式。除此之外，美國專家還分析了微機(jī)電系統(tǒng)動態(tài)特性測試儀器，將干涉測量和頻光計算機(jī)視覺的相關(guān)測量融合為一體，將測試微機(jī)電系統(tǒng)的三維實時運(yùn)動狀態(tài)加以分析。研究學(xué)者表明，微機(jī)電系統(tǒng)動力測試的頻閃微干涉測試儀最高測量頻率達(dá)到900KHz以及900KHz以上。

1 微機(jī)電系統(tǒng)的測量方法

微機(jī)電系統(tǒng)在光學(xué)計量和圖像計量基礎(chǔ)之上，提供三維方向的微結(jié)構(gòu)毫米運(yùn)動測量。微機(jī)電系統(tǒng)使用兩種光學(xué)無損測量方法：其一，計算機(jī)微視覺方法能夠被用于面內(nèi)運(yùn)動測量之中；其二，相移干涉方法被用于離面運(yùn)動測量之中。早期階段中，微機(jī)電系統(tǒng)更為注重設(shè)計階段和開發(fā)階段，現(xiàn)階段更注重降低成本、提高可靠度和準(zhǔn)確度?；诖?，測試微機(jī)電系統(tǒng)越來越重要，占成本的三分之一。微運(yùn)動分析儀（MMA）則是在光學(xué)和圖像的基礎(chǔ)上進(jìn)行的計量工具，提供了三維層面的微結(jié)構(gòu)。諸多研究學(xué)者致力于研究微機(jī)電系統(tǒng)光學(xué)測試技術(shù)，相關(guān)資料研究結(jié)果顯示激光多普勒測振儀構(gòu)成了力學(xué)特性的測試系統(tǒng)。

2 微機(jī)電系統(tǒng)的測量原理

微機(jī)電系統(tǒng)中主要包括以下幾個系統(tǒng)軟件：其一，數(shù)據(jù)采集；其二，性能高的 成像系統(tǒng)；其三，驅(qū)動電路；其四，分析軟件。

MMA是一種高度集中的顯微鏡，能夠充分利用好頻閃技術(shù)來捕捉快速運(yùn)動的物體圖像。在微機(jī)電系統(tǒng)中，充分利用好亮場圖像和干涉場圖像在不同的照明方式基礎(chǔ)之上，結(jié)合機(jī)器視覺算法來量化物體的整體運(yùn)動方式。微機(jī)電系統(tǒng)的服務(wù)器是視頻顯微鏡和干涉技術(shù)的互為結(jié)合。但是，想要成功進(jìn)行微機(jī)電系統(tǒng)測量時要注意好以下幾種條件：其一，照明時要將被測問題的視頻圖像存在顯著的對比結(jié)構(gòu)特征；其二，被檢測物體能夠進(jìn)行周期性的運(yùn)動。即使微機(jī)電系統(tǒng)原理上可以用來測量非周期運(yùn)動，但是由于受到攝像機(jī)幀速率的限制，所以只有10Hz左右。

2.1 充分利用好視頻圖像來進(jìn)行運(yùn)動測量

微運(yùn)動分析儀（MMA）利用機(jī)器視覺計算方法，測量計算一系列圖像中感興趣區(qū)域的運(yùn)動，MMA計算方法屬幾類算法的混合，利用了不同圖像之間的亮度、灰度變化，能夠測量小于1pixel運(yùn)動，實現(xiàn)精度測量。由于快速運(yùn)動的物體非常模糊，一種觀測方法是采用頻閃照明來凍結(jié)快速其外在運(yùn)動。同時，時間脈沖照明能夠積極采集好運(yùn)動物體運(yùn)動軌跡。顯微鏡平面位置的位移，能夠闡釋用不同的圖像測量不同類型的位移會更好。 MMA光學(xué)模塊能夠提供兩種類型的圖像照明：其一是在亮場圖像中，通過單色非相干光透過物鏡測量物體，能夠得到相應(yīng)圖像，顯微鏡能夠清楚顯示到圖像類型。光流技術(shù)是用來描繪圖像之間亮度圖形的被側(cè)運(yùn)動，微機(jī)電系統(tǒng)使用的算法為光流算法。光流算法需要滿足以下兩個假設(shè)：其一，目標(biāo)區(qū)域的運(yùn)動為剛體運(yùn)動；其二，恒定的目標(biāo)區(qū)域的亮度。給定目標(biāo)圖像之后，微機(jī)電系統(tǒng)所使用的計算方法依賴于相鄰兩個單幅圖像中像素的亮度變化，還依賴連續(xù)圖像之間既定的亮度變化，分別亦稱為空間梯度和時間梯度。在亮度的假定條件前提之下，使用2幅圖像之間的空間梯度變化和時間梯度變化能夠推測被測物體之間的運(yùn)動狀況。

微機(jī)電系統(tǒng)使用的光流計算方法，一方面能夠用于離面測量，又能夠用于面內(nèi)測量。在離面測量中，能夠?qū)⒉煌瑘D像序列沿著不同的焦平面以光切處理，基于此，亮度梯度則可以順著光軸的方向采樣，之后相同的方式處理和面內(nèi)序列。

2.2 干涉場圖像

在干涉場圖像中，通過被測物體的反射光以及光學(xué)模板內(nèi)參考鏡的反射光疊加形成。干涉場圖像不同于光流技術(shù)，被測的亮度發(fā)生的變化亦能夠用來計算干涉圖像，繼而計算離面位移。利用亮場圖像，能夠?qū)⒁幌盗械膱D像在物體運(yùn)動的特定相位處采集數(shù)據(jù)。但是額外序列改變了參考光路的長度時就進(jìn)行采集。完整的圖像數(shù)據(jù)能夠被用來計算ROI內(nèi)的每一個像素的相對運(yùn)動，得出相對運(yùn)動軌跡。

2.3 量化位移

測量算法需要一個比例因子來能量化面內(nèi)、離面位移的信息。針對面內(nèi)的測量和光切，需要一個長度標(biāo)準(zhǔn)，利用已知間距的刻度線來標(biāo)定顯微鏡下的像素間距，這樣算法就從pixel逐漸轉(zhuǎn)換成μm。在干涉圖像上，具有一個更為方便的刻度標(biāo)準(zhǔn)，從而將已知的光源波長加以量化處理。

2.4 pixel我位移測量計算方法

微機(jī)電系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析軟件是一個強(qiáng)大的工具，能夠清楚測量被放大物體之間的物體運(yùn)動狀況。單幅度的圖像分辨力在原理上會受到生成圖像的光波長限制，加上運(yùn)動測量的分辨能力受到攝像機(jī)的限制，所以需要通過像素亮度的調(diào)制方法加以測量處理。

3 結(jié)束語

本文綜合分析計算及控制的微運(yùn)動分析儀，再研究微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）中的可動部件運(yùn)動特性。微機(jī)電系統(tǒng)能夠測量微小頻率的運(yùn)動特性，達(dá)到毫米級的分辨能力。本文將通過 研究微加工的諧振器運(yùn)動特性來說明微運(yùn)動分析儀器的相應(yīng)功能。在計算機(jī)視覺微機(jī)電系統(tǒng)的動態(tài)測試系統(tǒng)之下，通過圖像的運(yùn)動估計能夠獲得結(jié)構(gòu)平面信息。

（作者單位：南通師范高等?？茖W(xué)校）