利用微运动分析仪研究MEMS器件的运动特性

费杰

综合分析计算及控制的微运动分析仪，再研究微机电系统（MEMS）中的可动部件运动特性。微机电系统能够测量微小频率的运动特性，达到毫米级的分辨能力。本文将通过研究微加工的谐振器运动特性来说明微运动分析仪器的相应功能。

微机电系统是在半导体技术之上发展过来的，所涉及到的设计技术、加工技术和封装技术等均比半导体技术更为复杂。美国实验室研究表明微机电系统的可靠性动态测试系统主要采用光学显微镜来详细记录微机电系统在 不同状态之下的运动状况，再清楚分析失效模式。除此之外，美国专家还分析了微机电系统动态特性测试仪器，将干涉测量和频光计算机视觉的相关测量融合为一体，将测试微机电系统的三维实时运动状态加以分析。研究学者表明，微机电系统动力测试的频闪微干涉测试仪最高测量频率达到900KHz以及900KHz以上。

1 微机电系统的测量方法

微机电系统在光学计量和图像计量基础之上，提供三维方向的微结构毫米运动测量。微机电系统使用两种光学无损测量方法：其一，计算机微视觉方法能够被用于面内运动测量之中；其二，相移干涉方法被用于离面运动测量之中。早期阶段中，微机电系统更为注重设计阶段和开发阶段，现阶段更注重降低成本、提高可靠度和准确度。基于此，测试微机电系统越来越重要，占成本的三分之一。微运动分析仪（MMA）则是在光学和图像的基础上进行的计量工具，提供了三维层面的微结构。诸多研究学者致力于研究微机电系统光学测试技术，相关资料研究结果显示激光多普勒测振仪构成了力学特性的测试系统。

2 微机电系统的测量原理

微机电系统中主要包括以下几个系统软件：其一，数据采集；其二，性能高的 成像系统；其三，驱动电路；其四，分析软件。

MMA是一种高度集中的显微镜，能够充分利用好频闪技术来捕捉快速运动的物体图像。在微机电系统中，充分利用好亮场图像和干涉场图像在不同的照明方式基础之上，结合机器视觉算法来量化物体的整体运动方式。微机电系统的服务器是视频显微镜和干涉技术的互为结合。但是，想要成功进行微机电系统测量时要注意好以下几种条件：其一，照明时要将被测问题的视频图像存在显著的对比结构特征；其二，被检测物体能够进行周期性的運动。即使微机电系统原理上可以用来测量非周期运动，但是由于受到摄像机帧速率的限制，所以只有10Hz左右。

2.1 充分利用好视频图像来进行运动测量

微运动分析仪（MMA）利用机器视觉计算方法，测量计算一系列图像中感兴趣区域的运动，MMA计算方法属几类算法的混合，利用了不同图像之间的亮度、灰度变化，能够测量小于1pixel运动，实现精度测量。由于快速运动的物体非常模糊，一种观测方法是采用频闪照明来冻结快速其外在运动。同时，时间脉冲照明能够积极采集好运动物体运动轨迹。显微镜平面位置的位移，能够阐释用不同的图像测量不同类型的位移会更好。 MMA光学模块能够提供两种类型的图像照明：其一是在亮场图像中，通过单色非相干光透过物镜测量物体，能够得到相应图像，显微镜能够清楚显示到图像类型。光流技术是用来描绘图像之间亮度图形的被侧运动，微机电系统使用的算法为光流算法。光流算法需要满足以下两个假设：其一，目标区域的运动为刚体运动；其二，恒定的目标区域的亮度。给定目标图像之后，微机电系统所使用的计算方法依赖于相邻两个单幅图像中像素的亮度变化，还依赖连续图像之间既定的亮度变化，分别亦称为空间梯度和时间梯度。在亮度的假定条件前提之下，使用2幅图像之间的空间梯度变化和时间梯度变化能够推测被测物体之间的运动状况。

微机电系统使用的光流计算方法，一方面能够用于离面测量，又能够用于面内测量。在离面测量中，能够将不同图像序列沿着不同的焦平面以光切处理，基于此，亮度梯度则可以顺着光轴的方向采样，之后相同的方式处理和面内序列。

2.2 干涉场图像

在干涉场图像中，通过被测物体的反射光以及光学模板内参考镜的反射光叠加形成。干涉场图像不同于光流技术，被测的亮度发生的变化亦能够用来计算干涉图像，继而计算离面位移。利用亮场图像，能够将一系列的图像在物体运动的特定相位处采集数据。但是额外序列改变了参考光路的长度时就进行采集。完整的图像数据能够被用来计算ROI内的每一个像素的相对运动，得出相对运动轨迹。

2.3 量化位移

测量算法需要一个比例因子来能量化面内、离面位移的信息。针对面内的测量和光切，需要一个长度标准，利用已知间距的刻度线来标定显微镜下的像素间距，这样算法就从pixel逐渐转换成μm。在干涉图像上，具有一个更为方便的刻度标准，从而将已知的光源波长加以量化处理。

2.4 pixel我位移测量计算方法

微机电系统数据分析软件是一个强大的工具，能够清楚测量被放大物体之间的物体运动状况。单幅度的图像分辨力在原理上会受到生成图像的光波长限制，加上运动测量的分辨能力受到摄像机的限制，所以需要通过像素亮度的调制方法加以测量处理。

3 结束语

本文综合分析计算及控制的微运动分析仪，再研究微机电系统（MEMS）中的可动部件运动特性。微机电系统能够测量微小频率的运动特性，达到毫米级的分辨能力。本文将通过 研究微加工的谐振器运动特性来说明微运动分析仪器的相应功能。在计算机视觉微机电系统的动态测试系统之下，通过图像的运动估计能够获得结构平面信息。

（作者单位：南通师范高等专科学校）