MEMS平面微运动测量的若干关键技术研究

费杰

微机电系统（MEMS）是指微信机械、微信处理器、控制电路以及电源等微信器械的系统，具有体积小、可量产以及高集成的特点，近些年来在各行各业中都有广泛应用。在MEMS应用过程中，其测试技术也越来越受到研究者的关注，其中动态性能测试技术在MEMS研究与批量生产中具有重要意义。

MEMS是基于微电子技术的基础上创立的一门新兴学科，主要涉及了微电子学、机械学、力学等多个学科。MEMS具有信息获取、处理与执行的功能，能够完成大型机电系统所无法完成的工作，也可以加入到大型系统中，从而提升系统的智能化水平。

1 MEMS的特点

MEMS是在集成电路的基础上发展而来，具备集成电路的众多优点，同时也具备了其他学科的研究成果，其主要特点为：①体积小：MEMS具有微型、重量轻、能耗少、谐振频率高且响应速度快的优势；②性能优良：由于系统主要使用硅作为材料，硬度、密度以及热传导率都较好；③可量产：用微加工技术能够实现大批MEMS的生产，并且批量生产能够提高经济效益；④集成化：能够实现不同功能、不同控制器集于一体，或将微传感器阵列、微处理器阵列集成一体，从而形成复杂的系统；⑤涉及多学科：MEMS涉及到电子机械技术、信息处理、自动控制等多门学科。

2 MEMS平面微运动测量的若干关键技术

2.1 机器微视觉技术

机器视觉主要是利用模拟生物视觉技术，通过图像来建立模型并认知世界。简而言之，就是讓机器通过观看目标范围内的东西，但是视觉本身具有较高的复杂性，通常会有大量无关的事物或是让人产生误解的东西，数据本身无法显示出有无联系，因此，机器视觉主要是进行复杂信息的处理工作。随着现代科学技术的不断发展，机器视觉得到迅速发展，从遥感技术到医学图像，许多行业中都应用了该技术，并且在精确测量、危险场景观察、不可见物体检测等方面具有较好的应用价值。

基于机器微视觉技术的MEMS动态测量系统主要是由硬件平台与软件平台这两个平台组成，前者主要包括照明系统、图像采集与储存系统、数据驱动与控制系统等系统；后者主要是利用各种计算机软件，实现信息处理、图像测量、平面特效测试等功能。其主要的工作原理为：利用驱动器产生的信号实现驱动，然后利用摄像机采集运动时MEMS的图像，然后将图像传输到计算机中进行图像处理。在运动情况下采集到的MEMS图像多为模糊的，需要使用模糊图像合成技术进行处理，从而得到清晰的图像。

2.2 模糊图像合成技术

对运动状态下的MEMS器件进行图像采集，由于摄像机的采集频率低于MEMS期间的工作频率，所得到的图像是模糊的，这主要是由于器件在拍摄过程中以高速频率运动，虽然不能反映MEMS期间在特定时期的运动状态，但是却能够反映特定电压或驱动频率状态下的运动幅度。模糊图像合成技术是基于上述原理，对采集的MEMS运动图像通过各种处理技术，进行组合与排列，从得到MEMS期间运动幅度与谐振频率等参数。若以谐振器与例，模糊图像合成技术能够简单描述为：在连续光照情况下，采集特定电压或驱动频率下的谐振器图像，而由于驱动频率的影响，摄像机采集的图像是模糊的，通过图像处理技术能够测量到模糊带的长度，即谐振器的运动幅度。可以利用运动幅度用曲线模拟的方法得到谐振器的运动频率曲线图，从而或得到相应的参数，还可以得到不同状态下谐振器平面运动的特点。为了测量谐振器在某一频率下的运动幅度，采用不同的图像处理技术，并结合MEMS器件的特征，并与其进行组合，从而获取MEMS器件的运动轨迹。

2.3 闪频动态成像技术

模糊图像合成技术在测量MEMS器件的平面微运动特点具有操作简单的优势，但是由于其获得的图像是模糊的，无法获得MEMS器件运动过程中的中间信息。频闪动态成像技术不但能够获得MEMS器件的运动参数，同时能够获取周期内MEMS器件的运动特点。在运用闪频动态成像技术时，需要采集到清晰的MEMS运动图像，才能够反映当时MEMS器件的运动状态，但是由于MEMS器件运动频率多在10K～500KHz，在此情况下拍摄到的图像多为模糊的，为了能够采集到清晰的图像，需要使用闪频成像技术。其主要工作原理为：对于运动状态下的MEMS器件，给予闪频光照明，使得MEMS期间的运动频率与闪频相同，从而获得清除的图像。

2.4 光流技术

微机电系统（MEMS）是指微信机械、微信处理器、控制电路以及电源等微信器械的系统，具有体积小、可量产以及高集成的特点，近些年来在各行各业中都有广泛应用。在MEMS应用过程中，其测试技术也越来越受到研究者的关注，其中动态性能测试技术在MEMS研究与批量生产中具有重要意义。MEMS涉及到多门学科，集聚了许多尖端的科研成果，并且具有许多的优点。光流技术具有较好的运动图像分析作用，其主要利用光流场进行运动物体的特征分析，分析的对象为单像素中的物体，因此不局限于物品的结构。光流能够反映出物品的运动信息，从而确定被测目标的运动特征。光流在视觉运动中具有非常重要的影响，光流场主要是观察亮度图案的运动。

目前对MEMS的研究也越来越多，例如压力传感器、热堆辐射计等MEMS产品。在MEMS不断发展过程中，MEMS测试技术也越来越受到学界的关注，其中动态特性测量技术对于MEMS产业化发展具有重要影响。文章主要针对MEMS平面微运动测量的几个关键技术进行分析，旨在推动现代MEMS研究的进步。

（作者单位：南通师范高等专科学校）