数字散斑相关技术在微结构平面运动测试中的应用

　　近年来微机电系统(micro-electro-mechanicalsystem, MEMS)在基础理论、器件的设计制造以及系统的集成等方面取得了一些重要进展，但是仍只有少量微器件和系统能够实现规模化应用.究其原因，MEMS 测试方法与技术方面研究的相对滞后是关键制约因素之一.在不同的外力或内力作用下，相当数量的微结构是可运动的或工作在谐振状态.对微结构的几何尺寸和运动特性进行测量可用于进行整体性能的评价.微结构的运动包括平面运动和离面运动，通常所采取的测试方法分别为时间序列显微图像二维运动测量和时间序列显微干涉技术[1].微结构的运动一般都具有很高的频率，时间序列图像的获取可采取高速摄像或频闪成像技术[2-3]，虽然后者要求测量的运动是周期的，但是可使用普通CCD 摄像机，本低，而且周期运动参数已能满足目前微结构性能和可靠性测试的大部分需求.目前微结构平面运动试 方 法 有 光 流 梯 度 算 法 与 图 像 块 匹 配 算法[4-5]，运动测量分辨率能够达到纳米量级，但是不能实现非刚性平面变形的测试.随着微器件和系统研究的深入，在测量平面刚性运动的同时获得一些节点的变形信息的需求逐渐被提出.数 字 散 斑 相 关 法 ( digital speckle correlationmethod, DSCM)又称为数字图像相关方法(digitalimage correlation method, DICM)，具有非接触、全场测量、光路简单、可测量物体表面位移场和应变场信息等优点，已成为现代光测力学领域的重要测量方法之一[6].笔者对数字散斑相关方法在微结构平面运动测试中的应用方法进行了研究，通过测试 SiC RFMEMS 谐振器刚性运动和变形对方法的有效性进行了评价.

　　1 数字散斑相关方法

　　数字散斑相关方法是利用物体表面自然形成或人工制成的散斑场，由摄像机分别记录被测物体位移或变形前后的两幅图像，将变形前图像中某一区域定义为样本子区，变形后图像中与之对应的区域定义为目标子区，通过计算目标子区与样本子区之间的相关系数来获取物体的位移或变形信息.相关系数反映了两个子区的相似程度，一般可定义为

式中： 分别为样本子区和目标子区 内 图 像 坐 标 点 处 的 灰 度 值 ; P=( u , v,;自变量 u、v是样本子区和目标子区中心点的位移.当 S = 0时，两个子区完全相关;当 S = 1时，两个子区不相关.将样本子区在变形后图像中进行搜索可得到相关系数 S 的最小值，即可获得样本子区中心点的位移值.样本子区坐标点( x , y )在目标子区中对应的坐标点为 ( x* , y* )，两者之间的联系为

式中 Δx 、Δ y 是样本子区中任意点与中心点之间的距离.通过式(1)和式(2)可获得样本子区内任意点的位移值，再根据式(3)可计算出样本子区的变形量