MEMS微结构平面运动测量方法的研究

摘要

微机电系统(MEMS)由微电子和机械元件组成，其运动特性测试是MEMS设计、仿真、制造及产品质量控制和性能评价的关键环节，平面运动测试是MEMS微结构运动特性测试的重要组成部分。提高平面运动测试的精度是MEMS三维运动特性精确表征的前提，对于材料特性和机械力学参数的精确测量具有重要意义。论文基于计算机视觉技术对提高MEMS平面运动测量分辨力的方法展开研究。研究内容主要包括： 1.在系统分析国内外MEMS平面运动特性测试技术的研究现状、应用领域和发展趋势的基础上，提出MEMS刚性平移、旋转角度和区域变形的测量方法，实现运动幅度、旋转角度测量以及区域变形信息的提取。 2.提出一种综合了模糊集图像增强技术、分形插值和小波变换的边缘检测方法。在连续光照明条件下，实现MEMS平面运动幅值的亚像素分辨力测量。通过分形插值技术重建运动模糊图像的边缘细节，应用小波变换的边缘检测方法测量MEMS微结构运动幅值，提高测量重复性。 3.将块匹配最优根值法和相位相关拟合法应用于MEMS平面刚性位移测量，对MEMS平面运动的时域和频域测量方法的实现进行了分析。利用灰度补偿减少块匹配算法对由于灰度变化所引起的误差，通过误差补偿减小相关拟合算法的测量误差。 4.依据刚体运动质心不变的原理，提出一种采用图像孤立特征结构的质心连线旋转角度来表征图像旋转角度的方法，并将此方法应用到MEMS的旋转角度测试中，提高旋转角度测量分辨力。 5.在相关拟合方法的基础上，结合Newton-Raphson迭代法的算法，实现区域变形信息的提取。通过对Newton—Raphson迭代初始值的改进，提高算法的收敛速度和精度，实现对MEMS区域变形信息提取。 6.提出一种基于显微相移干涉图像序列解析的亮场图像重建方法，该方法利用多项式拟合消除灰度误差，通过图像叠加实现干涉条件下MEMS平面运动的测量。

目录

文摘

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声明

第一章绪论

1.1微机电系统发展概况

1.2微机电系统的测试需求

1.3微机电系统测试方法

1.3.1平面运动测试方法

1.3.2旋转运动角度测量方法

1.3.3面内变形测量方法

1.4课题的提出与论文进行的工作

第二章连续光照明下MEMS微结构平面运动幅值测量方法

2.1连续光照明下MEMS微结构运动幅值测量原理

2.2运动模糊图像振幅检测方法

2.2.1基于时间平均技术的图像处理方法

2.2.2基于贝塞尔条纹技术的图像处理技术

2.2.3基于模糊的边缘检测技术的图像处理方法

2.3图像增强方法

2.3.1直方图均衡化

2.3.2梯度锐化方法

2.3.3小波变换增强方法

2.3.4基于模糊集的图像增强

2.4插值细分方法

2.4.1双线性插值

2.4.2二元三次样条插值

2.4.3分形插值

2.5边缘检测的亚像素细分算法

2.5.1最小二乘法

2.5.2灰度矩边缘检测法

2.5.3空间矩边缘检测法

2.5.4基于小波的缘检测法

2.6基于分形插值和小波变换的亚像素边缘检测方法

2.7试验结果分析与讨论

2.7.1基于模糊集的图像增强试验

2.7.2分形捅值试验结果与分析

2.7.3仿真试验结果与分析

2.7.4系统放大比例系数标定

2.7.5 MEMS器件运动幅值测量实验

本章小结

第三章MEMS微结构运动刚性位移亚像素测量方法

3.1频闪运动成像技术的测量原理

3.2基于块匹配的亚像素测量方法

3.2.1基于块匹配技术的测量原理

3.2.2基于最优根值技术的亚像素测量方法

3.2.3针对灰度补偿的算法改进

3.3基于相关原理的亚像素测量方法

3.3.1基于相关技术的测量原理

3.3.2基于相关拟合的亚像素测量方法

3.3.3相关拟合的亚像素误差补偿

3.4复杂MEMS微结构三维耦合运动测试技术

3.5实验结果分析与讨论

3.5.1平面运动仿真实验

3.5.2测量重复性实验

3.5.3 MEMS单一频率测试

3.5.4在不同电压下MEMS微结构运动测试

3.5.5干涉场中MEMS平面运动测试

本章小结

第四章MEMS微结构平面旋转运动角度测量方法

4.1旋转角度测量方法

4.1.1相位相关及Radon变换技术的角度测量

4.1.2Hough变换和边缘直线提取技术的角度测量

4.2基丁区域质心不变技术的角度测量

4.2.1基于区域质心不变性技术的角度测量的原理

4.2.2基于区域质心不变性技术的角度测基的研究及实现

4.3误差分析

4.3.1相位相关与Radon变换技术角度测量的误差分析

4.3.2基于Hough变换及边缘直线提取技术角度测量误差分析

4.3.3区域质心不变性技术角度测量的误差分析

4.4试验结果与分析

4.4.1平面旋转运动仿真测试

4.4.2三种算法角度测量分辨力分析

4.4.3基于区域质心不变性技术的角度测量

本章小结

第五章基于相关迭代技术的MEMS微结构面内变形测量方法

5.1基于数字相关技术的变形测量

5.1.1物体面内变形的表征

5.1.2数字相关技术的改进

5.1.3 Newton-Raphson迭代法原理

5.1.4改进的初值确定法

5.1.4位移和应变的计算

5.2误差分析与研究

5.2.1相关运算误差来源

5.2.2系统误差分析研究

5.2.3环境引起的随机误差的研究

5.3实验结果分析与讨论

本章小结

第六章结论与展望

6.1论文的主要工作总结

6.2论文的创新点总结

6.3下一步工作展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致 谢