微機電系統微摩擦測試技術研究

吳翠紅， 于 博， 趙 晶， 劉效含， 吳欣宇

(1.長春理工大學光電信息學院機電工程學院，吉林長春130012；2.長春工程學院機電工程學院，吉林長春130012)

1 引 言

微機電系統(micro electro-mechanical system, MEMS)微摩擦測試技術已成為當前研究的熱點。MEMS的微電子技術已經滲透到機械、光學等多個傳統領域，也產生了許多新問題。MEMS不是傳統機械系統幾何尺寸的微型化，而是基于現代科學技術，并作為整個納米科學技術重要組成部分和一種嶄新思維方法下的產物[1～7]。它在尺度、構造、材料、制造方法和工作原理等方面都與傳統機械不同，MEMS涉及到微電子學、微尺度力學、材料科學以及表面物理與化學等領域。由于構件尺寸減小，表面積與體積之比相應增加，因而表面效應增強，這樣作為主要的表面作用力的摩擦力就成為影響微型機械運動和功能的重要因素。與此同時，對微摩擦行為起主要作用的微構件材料及其表面品質與宏觀構件也不相同。

與傳統機械設計相比，MEMS中的微摩擦問題顯得特別突出，這是因為尺寸效應使得構件上的作用力隨著其尺寸減小發(fā)生急劇變化。這樣，正比于面積的作用力如摩擦力、粘性力等與正比于體積的作用力如慣性力、電磁力等相比增大了數千倍而成為微機械的主要作用力。表面上摩擦阻力的影響增大不僅制約微器件的運動性能，而且也加劇了表面損傷。因此，在MEMS中，各運動界面上的摩擦阻力相對其它的力的作用增大，而MEMS本身裝載的可供使用的能量又很小，這就要求在微型機械設計中盡可能地降低摩擦損耗，甚至實現零摩擦。MEMS的發(fā)展迫切需要明確微小摩擦的機理，因此微小摩擦的研究具有重要的現實意義[8～11]。

2 測試原理

本文提出了一種基于光反射法的微摩擦測試原理，光電探測系統如圖1所示，主要包含：2套光源(激光器1、激光器2，均選用可見光半導體激光器：GaAlAs Laser，670 nm，3 mW)；2套探測器(CCD1、CCD2，均選用SONY公司的ILX526A線陣CCD)；2套壓力傳感器(硅傳感器1、硅傳感器2，均選用德國PI公司生產的PZT P840.20壓電陶瓷，其主要技術指標為：驅動電壓VDC為0～300 V；最大位移為100 μm)和探針等。

圖1 光電探測系統簡圖Fig.1 Schematic diagram of photoelectric detection system

激光器1、CCD1、硅傳感器1用于測量正壓力數據；激光器2、CCD2、硅傳感器2用于測量微摩擦力數據。激光以任意姿態(tài)聚焦硅傳感器表面，CCD接收反射激光并成像，當硅傳感器受力偏轉時，激光反射角變化，CCD光斑成像隨之改變，應用CCD解析光斑成像位置，通過受力前后CCD成像變化得出受力作用的偏轉角度，通過標定可計算正壓力及微摩擦力的具體數值。CCD1、CCD2的光斑成像如圖2所示。圖2中峰值為CCD實際光斑位置像素值。

圖2 CCD光斑成像簡圖Fig.2 Schematic diagram of CCD spot imaging

測試系統的光路分析如圖3所示，CCD水平放置，初始時硅片也水平放置，激光器入射光線為AO，反射光線為OD，入射角為α。受力后硅片發(fā)生偏轉，偏轉角為δ，反射光線為OE，入射角為β，前后法線分別為OB、OC。

圖3 測試光路簡圖Fig.3 Schematic diagram of test light path

由圖3可得出：

β=α+δ

(1)

兩反射光線夾角：

∠DOE=2β-2α=2δ

(2)

進而得出，CCD上先后兩光斑間的距離為：

Δl=h·tan(α+2δ)-h·tanα

(3)

由式(3)可知，假定h及α為已知，當測出CCD上兩光斑間的距離Δl后，可解析得出硅片受力后的偏轉角δ，進而通過標定可計算出實際所受力大小。

3 測試系統總體設計

設計研發(fā)的MEMS微摩擦測試樣機結構系統如圖4所示。

圖4 MEMS微摩擦測試系統結構簡圖Fig.4 Schematic diagram of the structure of the MEMS micro-friction test system

該系統由光電探測系統、2套PI工作臺(水平、垂直)、底座、支架、探針等組成。兩套探測器(CCD1、CCD2)分別安裝于開有一道狹縫的金屬盒內，以便激光可完全在CCD上進行成像。

激光器1發(fā)出的激光經準直及透鏡聚焦，照射在正壓力測量硅傳感器的橫梁的中部，反射光線經過狹縫照射在CCD1的光敏面上，當探針受到正壓力時，正壓力經摩擦力測量硅傳感器傳到正壓力測量硅傳感器的橫梁上，使橫梁發(fā)生偏轉，使照射在CCD1上的光斑的位置相應地也發(fā)生變化，光斑的移動量與所受的正壓力成正比。

激光器2發(fā)出的激光經準直及透鏡聚焦，照射在摩擦力測量硅傳感器的測表面上，反射光線經過狹縫照射在CCD2的光敏面上。當探針在被測試樣的表面上移動時，摩擦力測量硅傳感器受到摩擦力的作用也將發(fā)生偏轉，使照射在CCD2的光敏面上的光斑的位置也要發(fā)生變化，光斑的移動量與所受的微摩擦力成正比。

MEMS微摩擦測試樣機的工作過程如下：首先，將被測樣品固定在水平調整工作臺上，采用手動調整、反饋調整、軟件補償相結合的辦法實現工作臺的水平調整，保證被測樣件水平放置; 然后，移動法向進給工作臺，使探針抵到被測樣件的表面，再使豎向進給工作臺緩慢移動來實現正壓力的加載，由CCD1可讀出所施加載荷的大小，達到預定大小的載荷后，豎向進給工作臺停止移動；接著使橫向進給工作臺勻速移動，探針與樣件間實現了相對滑動，這樣由CCD1可讀出正壓力，由CCD2可讀出切向力(微摩擦力)，通過計算機軟件處理可以獲得法向載荷與橫向摩擦力之間的關系曲線。

4 系統標定

在進行實際的微摩擦測試前，一個關鍵的步驟是進行微力傳感器的標定，因為當正壓力及微摩擦力傳感器受到力作用時，硅傳感器會產生相應的彎曲及偏轉，照射在CCD表面上光斑的位置會發(fā)生相應的移動，通過USB數據采集系統可以讀出光斑中心所對應的CCD像素的位置值，經計算可求得受力后光斑所偏移的像素值，該偏移值與所受到的力的大小有一定的對應關系，通過標定找出傳感器受力與CCD表面光斑偏移值之間的關系曲線，實際進行微摩擦測試時，只要讀出了CCD表面的光斑偏移值即可計算出受力的大小。

在傳感器標定過程中，應遵循從小到大原則，以固定增量對硅傳感器進行作用，連續(xù)解析CCD光斑偏移，可得作用力與光斑偏移間關系曲線，通過插值運算，可計算實際測試每一次光斑偏移對應的作用力大小。本MEMS微摩擦測試樣機采用物理天平法來輔助完成計量標定[12～16]。

4.1 正壓力標定

正壓力標定示意如圖5所示。

圖5 正壓力標定示意圖Fig.5 Schematic diagram of positive pressure calibration

標定前，應準確記載CCD1初值，天平橫梁放于支架上并調整水平，將一端抵于探針尖部，另一端懸掛砝碼(此處選用不銹鋼圓形標準毫克組、克組砝碼)，讀取CCD1光斑像素值，而后，持續(xù)增加砝碼，讀取CCD1對應的光斑像素值，計算CCD1輸出值與初值的偏移，整理完的正壓力標定數據如表1所示(由于篇幅有限，僅列出部分數據)。

表1 正壓力標定數據表Tab.1 Positive pressure calibration data sheet

4.2 摩擦力標定

正壓力標定示意如圖6所示。

圖6 摩擦力標定示意圖Fig.6 Schematic diagram of friction calibration

標定前，應準確記載CCD2初值，天平橫梁放于支架上并調整水平，將上端抵于探針尖部側面，另一端懸掛砝碼，讀取CCD2光斑像素值，而后，持續(xù)增加砝碼，讀取CCD2對應的光斑像素值，計算CCD2輸出值與初值的偏移，整理完的正壓力標定數據如表2所示。

表2 摩擦力標定數據表Tab.2 Friction force calibration data table

4.3 標定結果

應用輔助工具繪制CCD光斑偏移與作用力關系曲線，假設CCD光斑偏移為自變量x，作用力為因變量y，輸入上述數據分別繪制正壓力p、摩擦力標定曲線如圖7、圖8所示。

圖7 正壓力標定曲線Fig.7 Positive pressure calibration curve

圖8 摩擦力標定曲線Fig.8 The friction calibration curve

應用最小二乘原理可解析擬合曲線y=ax+b,對應參數a1=0.468 07，b1=-7.049 86；a2=2.678 74，b2=-10.984 14。實際測量時，將CCD光斑偏移代入公式即可解算正壓力和摩擦力具體數值。

5 實驗分析

應用MEMS微摩擦測試樣機對Cu-Si、Al-Si表面進行微摩擦測試，測試探針針尖為硅片制成，分別對Cu-Si、Al-Si表面進行了10組實驗，得到正壓力p、摩擦力測試曲線如圖9所示。

圖9 Cu-Si、Al-Si表面微摩擦測試曲線Fig.9 Cu-Si, Al-Si surface micro-friction test curve

經整理計算得出微摩擦系數μ如表3所示。

表3 微摩擦系數μTab.3 Coefficient of micro friction (μ)

由此可以得出：1) Cu-Si表面摩擦系數μ大于Al-Si表面，Al-Si表面更光滑；2) Cu-Si表面、Al-Si表面摩擦系數μ隨載荷增大而減??；3)μ隨載荷增大而減小，其說明伴隨外部載荷減小，Cu-Si、Al-Si表面力所占權重增大，從而導致μ增大。

6 總 結

提出了一種以光反射為基礎的微摩擦測試技術，設計研發(fā)了MEMS微摩擦測試樣機，具有以下特點：

(1) 以硅片為傳感器元件，其測試精度、測試靈敏度均較高，可實時測試μN級的作用力。

(2) 測試系統無漂移，具有較強的魯棒性，可同時完成正壓力、摩擦力的測試。

(3) 應用物理天平法進行測試系統計量標定，保證了其測試結果的準確有效。

(4) 通過標定受力與CCD上光斑的偏移值之間的關系，實現了對微摩擦力的精確測量，進而得出該設計滿足實際微摩擦測試需要，為微觀條件下微構件表面摩擦學性能研究提供了新思路。