利用微運動分析儀研究MEMS器件的運動特性

費杰

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

微機電系統是在半導體技術之上發展過來的，所涉及到的設計技術、加工技術和封裝技術等均比半導體技術更為復雜。美國實驗室研究表明微機電系統的可靠性動態測試系統主要采用光學顯微鏡來詳細記錄微機電系統在 不同狀態之下的運動狀況，再清楚分析失效模式。除此之外，美國專家還分析了微機電系統動態特性測試儀器，將干涉測量和頻光計算機視覺的相關測量融合為一體，將測試微機電系統的三維實時運動狀態加以分析。研究學者表明，微機電系統動力測試的頻閃微干涉測試儀最高測量頻率達到900KHz以及900KHz以上。

1 微機電系統的測量方法

微機電系統在光學計量和圖像計量基礎之上，提供三維方向的微結構毫米運動測量。微機電系統使用兩種光學無損測量方法：其一，計算機微視覺方法能夠被用于面內運動測量之中；其二，相移干涉方法被用于離面運動測量之中。早期階段中，微機電系統更為注重設計階段和開發階段，現階段更注重降低成本、提高可靠度和準確度。基于此，測試微機電系統越來越重要，占成本的三分之一。微運動分析儀（MMA）則是在光學和圖像的基礎上進行的計量工具，提供了三維層面的微結構。諸多研究學者致力于研究微機電系統光學測試技術，相關資料研究結果顯示激光多普勒測振儀構成了力學特性的測試系統。

2 微機電系統的測量原理

微機電系統中主要包括以下幾個系統軟件：其一，數據采集；其二，性能高的 成像系統；其三，驅動電路；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來捕捉快速運動的物體圖像。在微機電系統中，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之上，結合機器視覺算法來量化物體的整體運動方式。微機電系統的服務器是視頻顯微鏡和干涉技術的互為結合。但是，想要成功進行微機電系統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構特征；其二，被檢測物體能夠進行周期性的運動。即使微機電系統原理上可以用來測量非周期運動，但是由于受到攝像機幀速率的限制，所以只有10Hz左右。

2.1 充分利用好視頻圖像來進行運動測量

微運動分析儀（MMA）利用機器視覺計算方法，測量計算一系列圖像中感興趣區域的運動，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運動，實現精度測量。由于快速運動的物體非常模糊，一種觀測方法是采用頻閃照明來凍結快速其外在運動。同時，時間脈沖照明能夠積極采集好運動物體運動軌跡。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，能夠得到相應圖像，顯微鏡能夠清楚顯示到圖像類型。光流技術是用來描繪圖像之間亮度圖形的被側運動，微機電系統使用的算法為光流算法。光流算法需要滿足以下兩個假設：其一，目標區域的運動為剛體運動；其二，恒定的目標區域的亮度。給定目標圖像之后，微機電系統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動狀況。

微機電系統使用的光流計算方法，一方面能夠用于離面測量，又能夠用于面內測量。在離面測量中，能夠將不同圖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模板內參考鏡的反射光疊加形成。干涉場圖像不同于光流技術，被測的亮度發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，能夠將一系列的圖像在物體運動的特定相位處采集數據。但是額外序列改變了參考光路的長度時就進行采集。完整的圖像數據能夠被用來計算ROI內的每一個像素的相對運動，得出相對運動軌跡。

2.3 量化位移

測量算法需要一個比例因子來能量化面內、離面位移的信息。針對面內的測量和光切，需要一個長度標準，利用已知間距的刻度線來標定顯微鏡下的像素間距，這樣算法就從pixel逐漸轉換成μm。在干涉圖像上，具有一個更為方便的刻度標準，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

微機電系統數據分析軟件是一個強大的工具，能夠清楚測量被放大物體之間的物體運動狀況。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，加上運動測量的分辨能力受到攝像機的限制，所以需要通過像素亮度的調制方法加以測量處理。

3 結束語

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

（作者單位：南通師范高等專科學校）