MEMS平面微運(yùn)動(dòng)測(cè)量的若干關(guān)鍵技術(shù)研究

費(fèi)杰

微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）是指微信機(jī)械、微信處理器、控制電路以及電源等微信器械的系統(tǒng)，具有體積小、可量產(chǎn)以及高集成的特點(diǎn)，近些年來在各行各業(yè)中都有廣泛應(yīng)用。在MEMS應(yīng)用過程中，其測(cè)試技術(shù)也越來越受到研究者的關(guān)注，其中動(dòng)態(tài)性能測(cè)試技術(shù)在MEMS研究與批量生產(chǎn)中具有重要意義。

MEMS是基于微電子技術(shù)的基礎(chǔ)上創(chuàng)立的一門新興學(xué)科，主要涉及了微電子學(xué)、機(jī)械學(xué)、力學(xué)等多個(gè)學(xué)科。MEMS具有信息獲取、處理與執(zhí)行的功能，能夠完成大型機(jī)電系統(tǒng)所無法完成的工作，也可以加入到大型系統(tǒng)中，從而提升系統(tǒng)的智能化水平。

1 MEMS的特點(diǎn)

MEMS是在集成電路的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，具備集成電路的眾多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也具備了其他學(xué)科的研究成果，其主要特點(diǎn)為：①體積小：MEMS具有微型、重量輕、能耗少、諧振頻率高且響應(yīng)速度快的優(yōu)勢(shì)；②性能優(yōu)良：由于系統(tǒng)主要使用硅作為材料，硬度、密度以及熱傳導(dǎo)率都較好；③可量產(chǎn)：用微加工技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)大批MEMS的生產(chǎn)，并且批量生產(chǎn)能夠提高經(jīng)濟(jì)效益；④集成化：能夠?qū)崿F(xiàn)不同功能、不同控制器集于一體，或?qū)⑽鞲衅麝嚵小⑽⑻幚砥麝嚵屑梢惑w，從而形成復(fù)雜的系統(tǒng)；⑤涉及多學(xué)科：MEMS涉及到電子機(jī)械技術(shù)、信息處理、自動(dòng)控制等多門學(xué)科。

2 MEMS平面微運(yùn)動(dòng)測(cè)量的若干關(guān)鍵技術(shù)

2.1 機(jī)器微視覺技術(shù)

機(jī)器視覺主要是利用模擬生物視覺技術(shù)，通過圖像來建立模型并認(rèn)知世界。簡(jiǎn)而言之，就是讓機(jī)器通過觀看目標(biāo)范圍內(nèi)的東西，但是視覺本身具有較高的復(fù)雜性，通常會(huì)有大量無關(guān)的事物或是讓人產(chǎn)生誤解的東西，數(shù)據(jù)本身無法顯示出有無聯(lián)系，因此，機(jī)器視覺主要是進(jìn)行復(fù)雜信息的處理工作。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)器視覺得到迅速發(fā)展，從遙感技術(shù)到醫(yī)學(xué)圖像，許多行業(yè)中都應(yīng)用了該技術(shù)，并且在精確測(cè)量、危險(xiǎn)場(chǎng)景觀察、不可見物體檢測(cè)等方面具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

基于機(jī)器微視覺技術(shù)的MEMS動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)主要是由硬件平臺(tái)與軟件平臺(tái)這兩個(gè)平臺(tái)組成，前者主要包括照明系統(tǒng)、圖像采集與儲(chǔ)存系統(tǒng)、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)等系統(tǒng)；后者主要是利用各種計(jì)算機(jī)軟件，實(shí)現(xiàn)信息處理、圖像測(cè)量、平面特效測(cè)試等功能。其主要的工作原理為：利用驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的信號(hào)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，然后利用攝像機(jī)采集運(yùn)動(dòng)時(shí)MEMS的圖像，然后將圖像傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行圖像處理。在運(yùn)動(dòng)情況下采集到的MEMS圖像多為模糊的，需要使用模糊圖像合成技術(shù)進(jìn)行處理，從而得到清晰的圖像。

2.2 模糊圖像合成技術(shù)

對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的MEMS器件進(jìn)行圖像采集，由于攝像機(jī)的采集頻率低于MEMS期間的工作頻率，所得到的圖像是模糊的，這主要是由于器件在拍攝過程中以高速頻率運(yùn)動(dòng)，雖然不能反映MEMS期間在特定時(shí)期的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，但是卻能夠反映特定電壓或驅(qū)動(dòng)頻率狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)幅度。模糊圖像合成技術(shù)是基于上述原理，對(duì)采集的MEMS運(yùn)動(dòng)圖像通過各種處理技術(shù)，進(jìn)行組合與排列，從得到MEMS期間運(yùn)動(dòng)幅度與諧振頻率等參數(shù)。若以諧振器與例，模糊圖像合成技術(shù)能夠簡(jiǎn)單描述為：在連續(xù)光照情況下，采集特定電壓或驅(qū)動(dòng)頻率下的諧振器圖像，而由于驅(qū)動(dòng)頻率的影響，攝像機(jī)采集的圖像是模糊的，通過圖像處理技術(shù)能夠測(cè)量到模糊帶的長(zhǎng)度，即諧振器的運(yùn)動(dòng)幅度。可以利用運(yùn)動(dòng)幅度用曲線模擬的方法得到諧振器的運(yùn)動(dòng)頻率曲線圖，從而或得到相應(yīng)的參數(shù)，還可以得到不同狀態(tài)下諧振器平面運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)。為了測(cè)量諧振器在某一頻率下的運(yùn)動(dòng)幅度，采用不同的圖像處理技術(shù)，并結(jié)合MEMS器件的特征，并與其進(jìn)行組合，從而獲取MEMS器件的運(yùn)動(dòng)軌跡。

2.3 閃頻動(dòng)態(tài)成像技術(shù)

模糊圖像合成技術(shù)在測(cè)量MEMS器件的平面微運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)具有操作簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，但是由于其獲得的圖像是模糊的，無法獲得MEMS器件運(yùn)動(dòng)過程中的中間信息。頻閃動(dòng)態(tài)成像技術(shù)不但能夠獲得MEMS器件的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，同時(shí)能夠獲取周期內(nèi)MEMS器件的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。在運(yùn)用閃頻動(dòng)態(tài)成像技術(shù)時(shí)，需要采集到清晰的MEMS運(yùn)動(dòng)圖像，才能夠反映當(dāng)時(shí)MEMS器件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，但是由于MEMS器件運(yùn)動(dòng)頻率多在10K～500KHz，在此情況下拍攝到的圖像多為模糊的，為了能夠采集到清晰的圖像，需要使用閃頻成像技術(shù)。其主要工作原理為：對(duì)于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的MEMS器件，給予閃頻光照明，使得MEMS期間的運(yùn)動(dòng)頻率與閃頻相同，從而獲得清除的圖像。

2.4 光流技術(shù)

微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）是指微信機(jī)械、微信處理器、控制電路以及電源等微信器械的系統(tǒng)，具有體積小、可量產(chǎn)以及高集成的特點(diǎn)，近些年來在各行各業(yè)中都有廣泛應(yīng)用。在MEMS應(yīng)用過程中，其測(cè)試技術(shù)也越來越受到研究者的關(guān)注，其中動(dòng)態(tài)性能測(cè)試技術(shù)在MEMS研究與批量生產(chǎn)中具有重要意義。MEMS涉及到多門學(xué)科，集聚了許多尖端的科研成果，并且具有許多的優(yōu)點(diǎn)。光流技術(shù)具有較好的運(yùn)動(dòng)圖像分析作用，其主要利用光流場(chǎng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)物體的特征分析，分析的對(duì)象為單像素中的物體，因此不局限于物品的結(jié)構(gòu)。光流能夠反映出物品的運(yùn)動(dòng)信息，從而確定被測(cè)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特征。光流在視覺運(yùn)動(dòng)中具有非常重要的影響，光流場(chǎng)主要是觀察亮度圖案的運(yùn)動(dòng)。

目前對(duì)MEMS的研究也越來越多，例如壓力傳感器、熱堆輻射計(jì)等MEMS產(chǎn)品。在MEMS不斷發(fā)展過程中，MEMS測(cè)試技術(shù)也越來越受到學(xué)界的關(guān)注，其中動(dòng)態(tài)特性測(cè)量技術(shù)對(duì)于MEMS產(chǎn)業(yè)化發(fā)展具有重要影響。文章主要針對(duì)MEMS平面微運(yùn)動(dòng)測(cè)量的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，旨在推動(dòng)現(xiàn)代MEMS研究的進(jìn)步。

（作者單位：南通師范高等專科學(xué)校）