基于微动平台超精密微运动测量技术研究

基于微动平台超精密微运动测量技术研究

邵秋峰1，王芳1，贾丽笑2

(1装甲兵工程学院，北京，100039；2燕山大学，秦皇岛，066004）

摘要：微纳制造技术给计量科学和计量仪器提出了新的测量任务，测量精度要求达到纳米级。研制低成本高精度的新测量方法已成为开发MEMS产品的迫切需要。在设计开发MEMS时，其系统功能主要是通过微结构的微小位移和变形来实现,MEMS微小位移和速度等微运动的测量成为开发MEMS的重要内容。

关键词：微运动；微纳技术；微测量

0引言

当今先进制造技术将向信息化、极限化和绿色化的方向发展，成为未来制造业赖以生存的基础和可持续发展的关键。微纳制造技术作为极端制造技术的一项重要研究内容，为现代制造技术提供了难得的发展机遇。目前，全球微纳器件的应用需求和市场需求达到500亿美元，其相关产品的产值将以千亿美元计算。欧盟于2008年初正式成立了欧洲微纳制造技术平台（MINAM），致力于推动微纳制造技术的研发与产业化。我国大约有120个单位正在开展MEMS（微机电系统）等微纳制造技术的研究与开发，“微纳制造技术”已经被列入我国中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）的前沿技术领域。

1前人研究基础

纳米级精度微位移检测技术是研究精密工作台的关键技术之一。纳米级精度微动平台是研制纳米制造装备不可缺少的核心部件。其中，微动平台包含微定位机构、驱动器和为控制系统提供位置反馈的纳米级精度位移传感器。在微动平台中，微定位机构通常采用具有结构紧凑、无机械接触和摩擦以及无反向间隙等特点的柔顺机构，驱动器广泛采用具有亚纳米级分辨率、高频响应及无回程间隙和机械摩擦等优点的压电陶瓷。为了给微动平台的控制系统提供位置反馈，通常采用具有纳米级精度的激光干涉仪检测微动平台的微位移。此外，Akihide等设计了一种测量微动平台微位移的纳米级精度光栅尺。但是，这些检测微动平台微位移的方法成本较高，从而增加了其制造成本。低成本的纳米级精度微动平台，将成为微纳制造技术中精密定位领域新的研究方向。然而，目前还很少有研究者从微位移检测方面考虑降低纳米级精度微动平台的制造成本。

综上所述，无论是对于微纳制造中的MEMS产品开发，还是精密微动平台的设计制造，低成本纳米级精度的微运动测量技术都是一个必须解决的核心问题。本项目根据生物视觉系统基于模糊感知运动的视觉机制，直接利用运动模糊图像进行低成本纳米级精度微运动测量研究，并对精密微动平台的微位移进行检测，实现从微位移检测方面降低柔顺机构微动平台的制造成本。

2主要问题

非接触的光学测量方法具有对被测对象无损伤、测量精度高及响应速度快等优点，因而在微结构的微运动测量领域得到了广泛的应用。针对测量微运动的光学方法研究者提出了诸如激光多普勒测量、频闪显微干涉测量、基于高速摄影成像技术的测量以及计算机微视觉测量等方法。其中，激光多普勒测量方法最为成熟，它能实现纳米级精度的离面运动测量。但该方法依赖于较高的光学拍频，需要高速的光电探测器。而频闪显微干涉测量方法一般只能对周期运动进行测量，并且对工作环境要求严格。Wong等提出了一种基于频闪电子扫描显微镜的面内运动测量方法，但是由于使用了价格较高的电子扫描显微镜而使得系统的成本较高。基于高速摄影成像技术的测量方法成本较高，在很大程度上限制了其在实际中的应用。

3研究方案

测量微运动的计算机微视觉方法大多数都是基于序列清晰图像设计的。这些方法通常采用高速成像设备缩短摄像机的曝光时间或采用频闪成像设备“冻结”目标图像来避免图像的模糊，从而减少运动模糊对微运动测量的影响。然而，这两种消除运动模糊的方法增加了测量设备的成本。心理学及生物学研究表明，生物视觉系统可以根据运动模糊图像的模糊信息感知运动。根据生物视觉系统基于模糊感知运动的视觉机制，可以直接采用模糊图像测量微运动。最近，已有研究者直接利用图像的运动模糊信息进行运动测量，并取得了较好的效果。尽管学者们在直接利用模糊图像信息进行角速度测量、振幅测量及转速测量等方面取得了较大进展，但是这些方法需要首先建立运动模糊图像模型，因而对于不同的运动类型需要设计不同的测量算法。而且，现有的大多数直接利用运动模糊图像进行运动估计的方法并不是针对微纳制造中的微运动测量而设计的，这些方法用于测量微运动时精度相对较低。

4结论与展望

为了解决微纳制造中低成本纳米级精度的微运动测量问题，本项目根据生物视觉系统基于模糊感知运动的视觉机制直接利用运动模糊图像测量微运动，并对精密微动平台的微位移进行检测，实现从微位移检测方面降低微动平台的制造成本。首先模拟生物视觉系统基于模糊感知运动的视觉机制，提取运动模糊图像的模糊信息；由用于清晰图像运动估计的经典光流约束所启发，结合仿射变换建立用于模糊图像多种运动类型微运动测量的运动约束模型；考虑算法的精度和效率，结合滤波器和多尺度方法，设计高精度的微运动测量算法；最后，利用低成本纳米级精度微运动测量方法测量精密微动平台的微运动，一方面实验验证提出的方法能够实现纳米级精度的微运动测量，另一方面从微位移检测方面降低微动平台的制造成本。本项目的成功实施将为微纳制造领域的MEMS研发及纳米级精度微动平台的设计等研究奠定技术基础，具有重要的理论意义和应用价值。

参考文献

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