基于机器微视觉的微结构平面运动测试技术

微机电系统(micro electro2mechanical system,MEMS)是指适于批量制作的,集微型机构、微型传感器、微型执行器、信号处理和控制电路、通讯接口电路和能源等于一体的能完成特定功能的微系统[1].随着MEMS从研究阶段步入产业化阶段,MEMS对测试技术的需求越来越迫切,尤其是对动态测试的需求更为迫切.这是因为MEMS的动态特性决定了MEMS器件的基本性能.MEMS微结构三维微运动情况、材料属性及机械力学参数、MEMS可靠性与器件失效模式、失效机理等关键问题均可通过MEMS动态测试技术加以解决.同时,通过动态测试技术,还可以研究一系列相关的基础理论问题.因此,近年来MEMS动态测试技术得到了国内外许多MEMS研究机构的高度重视.

Freeman等人[2]建立的干涉计算机微视觉系统( inter2ferometric computermicro2vision system, ICMVS)采用频闪成像和光流梯度的方法实现MEMS平面微运动的测量;Christian等人建立的测量MEMS动态属性的频闪显微干涉系统(stroboscopic microscopic interferome2ter system, SMIS)[3, 4],采用频闪图像以及基于最小二乘法的图像相关技术实现MEMS平面运动的测量[5];德国Bernd Tibken等人基于高速摄影成像技术对MEMS动态特性测试技术开展研究[6],系统主要测量采用频闪成像技术无法实现的非周期性或非可重复性的平面微运动[7].

　　笔者基于机器微视觉的MEMS动态测试系统,提出模糊图像合成技术,利用光学检测方法对MEMS器件的平面微运动特性进行提取.

1　系统的总体组成

　　MEMS动态测试系统是一个典型的光、机、电、算集成系统.为保证系统的灵活性和扩充性,满足自动化测试的要求,它在总体上采用虚拟仪器结构[8],基于机器微视觉技术,充分利用现有的计算机软硬件资源,完成对不同的MEMS器件的测试.图1为基于机器微视觉的MEMS动态测试系统的总体框图.

　　基于机器微视觉的MEMS动态测试系统主要分硬件平台和软件平台两部分.硬件平台由计算机、高精度CCD摄像机、显微镜、图像采集卡、高压驱动电路、多功能数据采集卡和数字测试仪器等组成.

　　整个系统的软件测试平台基于W indows2000操作系统,以虚拟仪器LabVIEW为开发平台,大大提高了系统的开发速度.

2　MEM S微结构平面微运动特性的测试技术

2.1　模糊图像合成技术的测量原理

　　MEMS微结构的平面微运动特性可以依据模糊图像合成技术进行测量.以测量MEMS谐振器的运动幅度为例,其测量是在连续光照明的条件下,采集一定频率运动下谐振器的运动图像.由于谐振器的运动频率一般都较高,CCD摄像机所成的像与图2(a)所示谐振器静止时的“清晰”图像相比,呈现模糊(图2(b)),称为“模糊图像”.图像产生模糊带是因为谐振器在这个区域来回运动,所以可认为该模糊带反映了谐振器在这一驱动频率下的运动幅度.这样,通过光学检测方法测得模糊带长度,即可得到谐振器在这一驱动频率下的运动幅度.同理结合扫频技术,得到一系列驱动频率下谐振器的运动图像,用上述方法测得其运动幅度.利用这一系列驱动频率下测得的运动幅度,采用曲线拟合的方法得到谐振器的幅频特性曲线,从而获得谐振器的谐振频率及其对应的运动幅度.