高溫環(huán)境下 M EM S微構(gòu)件動態(tài)特性測試技術(shù)研究?

李曉軻,王曉東,2,佘東生,張 濤,王立鼎,2

(1.遼寧省微納米技術(shù)及系統(tǒng)重點實驗室,遼寧大連 116024;

2.大連理工大學(xué)精密與特種加工教育部重點實驗室,遼寧大連 116024）

0 引 言

微機電系統(tǒng) (M EMS)以其低成本、低功耗、微型化、集成化等優(yōu)勢,在電子、汽車、軍事、航天等領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸廣泛和深入.隨著 MEMS逐漸產(chǎn)業(yè)化,對測試系統(tǒng)特別是對動態(tài)測試系統(tǒng)的需求越來越迫切[1],MEM S動態(tài)測試技術(shù)近年來得到了國內(nèi)外許多研究機構(gòu)的高度重視[2].MEM S的動態(tài)特性可以反映材料屬性及機械力學(xué)參數(shù)、MEMS可靠性與器件失效模式、失效機理等,是 MEM S設(shè)計、制造及產(chǎn)業(yè)化中的重要環(huán)節(jié).

由于微機械部件運動幅度小、振動頻率高、需要非接觸無損測量等特點,傳統(tǒng)的動態(tài)測試方法難以滿足要求.光學(xué)測試具有非接觸測量、測試精度高、響應(yīng)快等優(yōu)點,在 MEM S動態(tài)測試中得到廣泛應(yīng)用,如頻閃顯微干涉技術(shù)、計算機微視覺技術(shù)、激光多普勒測振技術(shù)等.

為了滿足航空航天、石油化工、冶金等高溫惡劣工況條件下的物理量測試需求,高溫 MEMS器件的應(yīng)用越來越廣泛,如高溫壓力傳感器[3]等.而 M EM S器件在不同的環(huán)境(主要是不同的壓力和溫度)下的性能和響應(yīng)特性是不同的[4-5].研究 MEMS器件在不同溫度下的響應(yīng)和性能變化規(guī)律,可以拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域,優(yōu)化設(shè)計,提高可靠性.

文獻 [5]介紹了一種基于壓電陶瓷的多載荷加載臺,能在 150℃以下測試微構(gòu)件.文獻 [6]建立了一種高溫環(huán)境下 MEMS微構(gòu)件動態(tài)特性測試系統(tǒng),利用基于壓電陶瓷的測試裝置測試了微構(gòu)件在室溫～300℃環(huán)境下的諧振頻率.壓電底座激勵是一種常用的激勵方法,但是壓電陶瓷工作溫度較低(最高在 80℃左右),在更高溫度下應(yīng)用存在較大難度.本文研究了高溫環(huán)境下微構(gòu)件動態(tài)測試技術(shù),分析了放電激勵原理,建立了高溫環(huán)境下 MEMS微構(gòu)件動態(tài)特性測試系統(tǒng),在室溫～500℃溫度范圍內(nèi)測試了微構(gòu)件的諧振頻率.

1 測試系統(tǒng)的構(gòu)成

圖1所示為建立的高溫環(huán)境下 MEMS微構(gòu)件動態(tài)特性測試系統(tǒng)總體組成框圖,主要包括激勵裝置、計算機監(jiān)控單元、激光多普勒測振單元、溫度控制單元等.

圖2為測試裝置實物照片,其中:1為 LED;2為光學(xué)頭;3為五維微動臺;4為激勵裝置;5為電容;6為電源;7為直流高壓電源;8為可控硅控制電路;9為溫控器;10為單相移相觸發(fā)器;11為激光干涉儀.

高溫環(huán)境下 MEM S動態(tài)測試需要解決的主要問題有:高溫環(huán)境下微構(gòu)件的激勵、微構(gòu)件溫度的控制、振動響應(yīng)信號的測量和分析,其中激勵和信號測量分析是動態(tài)測試的關(guān)鍵.激勵裝置利用尖端放電產(chǎn)生的激波為激勵源,實現(xiàn)了高溫環(huán)境下對微構(gòu)件的激勵.振動信號由激光多普勒測振儀測量,測量數(shù)據(jù)由計算機進行頻譜分析,得到微構(gòu)件諧振頻率.計算機控制單元和溫度控制單元組成了微構(gòu)件溫度控制系統(tǒng),包括工控機、數(shù)據(jù)采集卡、溫度控制軟件和溫度傳感器、溫控器等.溫控器通過溫度傳感器檢測微構(gòu)件溫度,接收計算機的調(diào)溫指令,構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng),通過溫度控制軟件控制微構(gòu)件溫度,并監(jiān)測激勵裝置溫度.

圖2 測試裝置Fig.2 Testing devices

2 激勵的實現(xiàn)

2.1 放電激勵原理

與宏觀機械結(jié)構(gòu)一樣,M EM S動態(tài)測試系統(tǒng)包括激勵、測振和模態(tài)分析三個基本環(huán)節(jié)[7].M EM S微構(gòu)件尺寸小、諧振頻率高,傳統(tǒng)的激勵技術(shù)無法直接應(yīng)用在 MEMS動態(tài)測試中.激勵是實現(xiàn)動態(tài)測試的基本環(huán)節(jié),微構(gòu)件的激勵一般應(yīng)采用非接觸方式,且要求具有較寬的激勵頻帶[8].目前主要的激勵方法有外部場能激勵方式、內(nèi)部集成激勵元件方式和底座激勵[9]方式.底座激勵是一種間接激勵方式,激勵信號施加在底座上,使底座在一個特定的方向上發(fā)生變形或產(chǎn)生平移,達到激勵固定在其上的微器件的目的.

目前,關(guān)于高溫環(huán)境下 MEMS微構(gòu)件動態(tài)測試技術(shù)方面的研究,國內(nèi)剛起步,如何在高溫環(huán)境下激勵微構(gòu)件是一個值得探討的問題.外部場能激勵方式和內(nèi)部集成激勵方式常對微構(gòu)件及其制作工藝有特殊要求,如常需在微構(gòu)件上制備壓電層等,難以在高溫環(huán)境下應(yīng)用.而底座激勵結(jié)構(gòu)簡單、通用性強,可以用于高溫環(huán)境下微構(gòu)件的激勵.Yuan Fang Chou等[10]在常態(tài)下對微構(gòu)件進行模態(tài)測試的時候,提出了放電底座激勵方法,這種激勵方式的激勵頻帶可以達到 1 M Hz.本文研究了放電激勵原理,并將放電底座激勵方式擴展應(yīng)用于高溫環(huán)境下微構(gòu)件的激勵.

當兩個帶相反極性電荷的電極距離小到一定程度的時候,在曲率最大處會發(fā)生尖端放電現(xiàn)象.本文基于尖端放電原理,設(shè)計了激勵裝置,實現(xiàn)了對微構(gòu)件的激勵.激勵裝置的核心是一對電極,電極一個采用針式,另一個采用平面板式.在外加電壓作用下,針-板電極間形成的是不均勻電場,針電極尖端處曲率最大,電場強度也最大.在外加電壓作用下,尖端處發(fā)生電暈放電、刷狀放電,最終形成電弧放電.電弧放電產(chǎn)生很大的瞬時電流,電弧溫度可達幾千度.尖端附近的空氣被電弧急劇加熱、膨脹,壓縮周圍空氣,發(fā)出尖銳的爆鳴聲,產(chǎn)生激波.激波對底座產(chǎn)生瞬間沖擊作用,微構(gòu)件受迫振動,達到激勵微構(gòu)件的目的.

放電激勵電路原理圖如圖3所示.放電電源由直流高壓電源和電容組成.在數(shù)千伏高壓作用下,空氣間隙在極短時間內(nèi)被擊穿,發(fā)生電弧放電.放電后,電容電壓不足以在同樣的間隙發(fā)生二次放電,這樣就保證了激勵能量輸入的單一性.

圖3 放電激勵電路原理圖Fig.3 Schematic of discharge circuit

2.2 激勵裝置結(jié)構(gòu)功能

激勵裝置是整個動態(tài)測試系統(tǒng)中的關(guān)鍵組成部分,傳統(tǒng)動態(tài)測試中的激勵裝置無法直接應(yīng)用于高溫環(huán)境下微構(gòu)件的測試.基于放電底座激勵原理,并綜合考慮微構(gòu)件的安裝和熱傳導(dǎo)等因素,設(shè)計了微構(gòu)件激勵裝置,圖4是激勵裝置原理示意圖.為了滿足微構(gòu)件高溫加熱要求,選用了體積小、表面功率密度達到 31W/cm2的筒式電阻加熱器作為加熱元件,加熱器通過加熱板對微構(gòu)件加熱.微構(gòu)件通過鋁制的安裝板安裝在十字載臺上,以方便拆卸.微構(gòu)件安裝板、十字載臺、陶瓷絕緣片和板電極使用高溫結(jié)構(gòu)膠粘接,構(gòu)成了激勵裝置底座.為了減少測試時的干擾信號,提高測量信號的信噪比,底座的質(zhì)量應(yīng)盡量小,且部件間連接要牢固、可靠.

為了以后進一步研究激勵能量對激勵效果的影響,設(shè)計了以直進式千分尺為核心的進給機構(gòu)調(diào)節(jié)電極間隙.在電容能量不變的情況下,電極間隙可通過進給機構(gòu)進行調(diào)整,這樣就能改變激勵能量,達到在不同能量下激勵微構(gòu)件的目的.

實驗中最高溫度達到 500℃,而激光多普勒測振儀光學(xué)頭的環(huán)境使用溫度不能超過 40℃,為了減小高溫環(huán)境對其的影響并減少熱量散失,將激勵裝置安裝在腔體中.腔體上面板安裝光學(xué)玻璃,激光多普勒測振儀安裝在外部對處于高溫環(huán)境中的微構(gòu)件進行測試.另外,為減小加熱板對其它部件的影響,裝置中還加裝了隔熱材料及陶瓷墊環(huán).通過這些措施,增強了隔熱效果,減少了熱量散失,提高了加熱效率.

圖4 激勵裝置原理示意圖Fig.4 Schematic of excitation device

3 振動信號測量

與頻閃顯微干涉技術(shù)、計算機微視覺技術(shù)相比較,激光多普勒測振技術(shù)更成熟,且具有線性度好、動態(tài)響應(yīng)快、測量范圍大等優(yōu)點,能夠獲得速度和加速度等更多的動態(tài)參數(shù).本文采用 Polytec公司OFV-534型激光多普勒測振儀,包括激光單元(包括激光發(fā)生器、干涉儀等)、光學(xué)頭、計算機等部件.光學(xué)頭的位置和傾角通過五維微動臺調(diào)節(jié),使接收到的激光光強最大,以提高測量信號的信噪比.光學(xué)頭內(nèi)集成了 CCD相機,其前端安裝有 LED輔助照明,可以方便地觀察微構(gòu)件.

光學(xué)頭安裝在微構(gòu)件振動方向上,接收反射回的測量光束.由于多普勒效應(yīng),微構(gòu)件的運動使測量光束產(chǎn)生多普勒頻移

式中:λ是激光源波長;v是微構(gòu)件振動速度.對多普勒頻移進行測量就能得到物體振動速度的大小.為了確定速度的方向,在干涉儀中通過 Bragg cell(聲光調(diào)制器)引入一個固定的頻移,檢測調(diào)制后的頻移就能確定振動方向.分別對速度微分、積分,得到振動加速度和位移.使用測振儀配套軟件對數(shù)據(jù)進一步處理,得到諧振頻率等參數(shù).

4 微構(gòu)件測試實驗

利用所研制的測試裝置測試了微構(gòu)件的諧振頻率,驗證放電激勵方法的可行性.采用硅基梁-質(zhì)量塊典型微懸臂梁結(jié)構(gòu)作為待測試件,圖5為 CCD相機拍攝的微構(gòu)件照片.梁和質(zhì)量塊尺寸分別為:400μm×600μm×10μm和 400μm×800μm×10μm.

圖6是微構(gòu)件在 500℃時的一組沖擊響應(yīng)曲線.微懸臂梁受到?jīng)_擊后受迫振動,按照正弦規(guī)律衰減.采集的響應(yīng)信號如圖6(a)所示,其中不僅包含微構(gòu)件的振動信號,還有底座的響應(yīng)信號、干擾信號.微懸臂梁所受阻尼小,衰減時間較長,在沖擊響應(yīng)曲線的后半段,底座的響應(yīng)信號、干擾信號的影響已經(jīng)很小,可以很清晰地看出振動信號的正弦衰減趨勢,如圖6(b)所示.圖7是得到的頻譜圖,由圖7可知微構(gòu)件諧振頻率為 4.141 k Hz.實驗結(jié)果表明:放電激勵方法可行,激勵裝置可以滿足高溫測試要求.

分別測試微構(gòu)件在不同溫度下的諧振頻率,測試結(jié)果如表1所示,得到該微構(gòu)件諧振頻率隨溫度的變化曲線,如圖8所示.由圖8中可以看出,微構(gòu)件諧振頻率隨溫度升高而減小.

圖5 微構(gòu)件照片F(xiàn)ig.5 CCD pictu re of m icrostructure

圖6 微構(gòu)件沖擊響應(yīng)曲線Fig.6 Impulse response ofm icrostructure

圖7 沖擊響應(yīng)頻譜圖Fig.7 Frequency spectrum ofm icrostructu re

圖8 微構(gòu)件的諧振頻率隨溫度變化曲線Fig.8 Natural Frequency change of m icrostructu re in different temperatu re

表1 不同溫度境下微構(gòu)件的諧振頻率Tab.1 Natural frequency ofm icrostructure in differen t tem perature

5 結(jié) 論

本文根據(jù) M EMS微構(gòu)件諧振頻率高、需要非接觸式無損測量的特點,基于放電底座激勵方法建立了高溫環(huán)境下 MEMS微構(gòu)件動態(tài)測試系統(tǒng).利用所建立的測試系統(tǒng),測試了微構(gòu)件在高溫環(huán)境下的諧振頻率,實驗結(jié)果表明放電激勵方法可行,該測試系統(tǒng)基本滿足高溫環(huán)境下 M EMS微構(gòu)件的動態(tài)特性測試要求,并得到了微構(gòu)件從室溫到 500℃溫度范圍內(nèi)諧振頻率隨溫度變化曲線.

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