[发明专利]MEMS面内位移测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种MEMS动态测量方法研究领域，特别是涉及一种MEMS面内位移测量方法。

背景技术

微机电系统(MEMS：Micro-electro-Mechanical-Systems)是在微电子工艺的基础上发展的多学科交叉的前沿研究领域，涉及微机械学、微电子学、自动控制、物理、化学、生物以及材料学等多种工程技术和科学。MEMS的技术发展开辟了一个全新的技术领域和产业，采用MEMS技术制作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力电子器件等有体积小、质量轻、功耗低、可靠性强、易于智能化、数字化等优点，所以在精密机械、信息通信、航空航天、生物医疗及军事等广阔领域中都有着十分重要的应用前景。通过高集成化和微型化等多种手段来探索实现MEMS器件的新原理和新功能，这是一个完全崭新的领域，未来必然是国民经济和军事科研等重要领域的知识增长点和创新点。MEMS技术将逐渐在国家经济的发展、科研技术的进步以及国防事业的保障中起到不可磨灭的作用。

MEMS从设计到封装的各个环节都贯穿着测量的需求，高效的测量方法不但为加工质量、重复性及加工水平提供了定性或定量的评价，同时也为封装过程提供了有效的测量手段，能够及时发现封装问题，提高了产品的良品率。另外，测量结果也是评价器件结构或系统性能好坏的基础。而在MEMS的动态特性测试研究中，MEMS面内位移测量是一项重要内容，相应的测量需求也变得越来越迫切。因此MEMS动态测试理论和方法的研究对微机电系统MEMS设计、制造和可靠性具有非常重要的意义。

在国内外，MEMS动态测试技术已得到了许多研究机构的高度重视，美国UCBerkeley大学BSAC研究中的ChristianRembe等研制的MEMS动态测试仪，集成了频闪微视觉和干涉技术，采用最小二乘法和相移算法等，可测试MEMS器件的三维实时运动和动态结构变形，实现高精度的面内测量。美国MIT微系统实验室Freeman教授领导的研究小组研制的基于计算视觉的MEMS动态测试系统。天津大学在MEMS动态特性测试的研究中取得了较大发展。华中科技大学谢勇君等采用集成频闪成像、计算机微视觉和显微干涉技术，研制了MEMS三维静动态测试系统，系统可进行MEMS面内刚体运动、表面形貌、垂向变形等测量，并达到纳米级精度。但以上研究为获得高精度测量结果，需做大量相关运算，计算量较大，无法实时测量。且对散斑图像采用传统插值算法会导致图像平滑，使最终求解位移时相关运算中测量结果出现误差。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，创新地提出了一种基于图像处理的MEMS面内位移测量方法。

为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种MEMS面内位移测量方法，包括以下步骤：

S1，获取两幅MEMS图像：一幅图像为零相位时刻的MEMS微结构图像作为样本图像，另一幅图像为不是零相位时刻的MEMS微结构运动图像作为目标图像；

S2，在样本图像中选取样本子区f(x,y)，在目标图像中选取目标子区g(x,y)；S3，对两幅子区图像进行分形插值处理；

S4，将分形处理后的子区图像进行傅立叶变换；

S5，将步骤S4中变换后的图像进行滤波，得到样本子区涡旋图像和目标子区涡旋图像；

S6，计算涡旋点偏心率参数和相位参数，为涡旋图像重新赋值；

S7，寻找最佳匹配，获得位移值。

本发明不需要采用激光器作为光源的数字散斑相关测量光路，而是直接采用普通照明情况下由显微成像系统采集的图像进行处理，获得MEMS在面内的亚像素级位移。

在本发明的一种优选实施方式中，样本子区f(x,y)与目标子区g(x,y)存在以下关系：

g(x,y)＝f(x+u,y+v)，

其中，(u,v)是样本子区f(x,y)与目标子区g(x,y)之间相对平移大小。

在本发明的一种优选实施方式中，分形插值处理的计算方法为：

对两幅子区图像进行基于随机中点的分形插值处理，随机中点位移法用(x_mi,y_mi)表示内插点：

x_mi＝(x_i+x_i+1)/2+s·w·rand()，

y_mi＝(y_i+y_i+1)/2+s·w·rand()，