（机械设计及理论专业论文）高温条件下mems微构件动态特性测试技术研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 m e m s 器件在不同的温度环境下的性能和响应特性是不同的，基于微加工技术指导 的m e m s 传感器件，已经应用于飞机、军事等装备制造业。m e m s 传感器件是利用微 机械加工技术和微电子工艺技术制作的。m e m s 传感器件主要通过微构件的微小位移或 变形来实现测量功能，其微构件的谐振频率等动态特性在很大程度上决定了器件的性 能。研制和开发微构件在高温环境下动态特性的实验测试装置，对测试微构件动态特性 及其随温度变化规律的研究有着重要的意义，对于m e m s 微器件的可靠性和稳定性具 有指导意义。 开发了基于高温环境的m e m s 微构件动态测试装置，完成了包括压电陶瓷底座， 高温实现及隔热，数据采集和处理及微构件温度的计算机自动控制等部分。搭建了微构 件高温动态测试装置，介绍了加热元件、升降机构的选取，以及整个内部零件的设计加 工实现。介绍了测试装置控制单元，如数据采集、处理，温度控制单元的设计，完成了 由虚拟仪器及控制电路构成的微构件的温度自动控制测试系统方案。开发了基于虚拟仪 器语言l a b v m w 的自动控制软件，采用模块化编程思想，编写数据采集、处理和温度 控制算法软件，完成了测试实验数据的采集，温度的控制算法的实现，为高温环境下 m e m s 的动态特性测试提供了稳定、准确的温度条件。利用激光多普勒测振仪o f v 5 3 4 对室温3 0 0 范围内，对微构件的动态特性进行了实验研究。研制的测试装置为高温条 件下微构件动态特性的测试提供了一种有效的手段。 关键词：m e m s ；微构件；高温；动态测试 高温条件下m e m s 微构件动态特性测试技术研究 、d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ct e s t i n gt e c h n o l o g yf o rm i c r o s t r u c t u r eo fm e m s i nh i g ht e m p e r a t u r e a b s t r a c t t h ep e r f o r m a n c ea n dr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c sa r ed i f f e r e n to fm e m sd e v i c e si nd i f f e r e n t t e m p e r a t u r ee n v i r o n m e n t s m e m s s e n s o r sd e v i c e sm a n u f a c t u r e db ym i c r of a b r i c a t i o n t e c h n i q u e sh a v eb e e nu s e di ne q u i p m e mm a n u f a c t u r i n gs u c ha sp l a n e s ，m i l i t a r ya n ds oo n h i g h - t e m p e r a t u r em e m ss e n s o r sa r eu s e dm i c r o m a c h i n i n gt e c h n o l o g ya n dm i c r o e l e c t r o n i c s t e c h n o l o g yt op r o d u c e h i 曲t e m p e r a t u r em e m s d e v i c e sa r em a i n l yt h r o u g hd i s p l a c e m e n to f m i c r o - s m a l lc o m p o n e m so rd e f o r m a t i o nt om e a s u r e i t sd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha st h e r e s o n a n tf r e q u e n c yd e t e r m i n et h ed e v i c e s p e r f o r m a n c ei nal a r g ee x t e n t r e s e a r c h i n ga n d d e v e l o p i n gt h ee x p e r i m e n t a l t e s td e v i c ei nt h eh i g h - t e m p e r a t u r eo fm i c r o c o m p o n e n t s d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa r ei m p o r t a n tf o rt e s t i n gi t sd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h el a w 、析t l l t e m p e r a t u r ec h a n g e s ，a n da r es i g n i f i c a n tf o rt h er e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t yo fm e m sd e v i c e s t h i sp a p e rh a sd e v e l o p e dt h em e m sd y n a m i ct e s t i n gd e v i c ei nh i g ht e m p e r a t u r e ， i n c l u d i n gb a s ee x c i t a t i o no fp i e z o e l e c t r i c ，t h er e a l i z a t i o no fh i g ht e m p e r a t u r ea n di n s u l a t i o n ， d a t ec o l l e c t i o na n d p r o c e s s i n ga n d t h ec o m p m e ra u t o m a t i cc o n t r o lo fm i c r oc o m p o n e m s t h i s p a p e ri n t r o d u c e sl o c a lh e a t i n ge l e m e n t s ，t h et a k e o f fa n dl a n d i n ga g e n c y ，a sw e l la sd e s i g n i n g a n d p r o c e s s i n gt h ew h o l ee n t i r ep a r t st ob u i l dt h ed y n a m i ct e s te q u i p m e n ti nh i 曲t e m p e r a t u r e t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h et e s td e v i c e s ，s u c ha sd e s i g n i n gd a t ac o l l e c t i o na n dp r o c e s s i n gu n i t s a n dt e m p e r a t u r ec o n t r o lu n i t s ，c o m p l e t e st h ea u t o m a t i ct e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mo f m i c r o c o m p o n e m sw h i c hi sc o m p l e t e db yt h ev i r t u a li n s t r u m e n t sa n dc o n t r o lc i r c u i t t h i s a r t i c l ed e v e l o p st h ea u t o m a t i o ns o f t w a r eb a s e do nt h ev i r t u a li n s t r u m e n t sa n dt h el a n g u a g eo f l a b v i e wa p p l y i n gm o d u l a rp r o g r a m m i n gi d e a sc o m p l e t e st h es o f t w a r ec o n s i s t i n go fd a t e c o l l e c t i o na n dp r o c e s s i n ga n dt e m p e r a t u r ec o n t r o la l g o r i t h m s i ts u p p l i e sas t a b l ea n da c c u r a t e t e m p e r a t u r e f o rm e m sd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ct e s ti nh i g h t e m p e r a t u r e t h ed y n a m i c p r o p e r t i e so ft h em i c r oc o m p o n e n t sa r es t u d i e dw i t hl a s e r - d o p p l e rs y s t e mo f v 5 3 4i nr o o m t e m p e r a t u r et o3 0 0d e g r e e s t h et e s td e v i c ep r o v i d e sa ne f f e c t i v em e a nf o rm i c r o c o m p o n e n t d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c st e s ti nh i g ht e m p e r a t u r e 。 k e yw o r d s ：m e m s ；m i c r o s t r u c t u r e ；h i g ht e m p e r a t u r e ；d y n a m i ct e s t i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：直遏釜住至迦丛墨邀捡往边查挂性型达垫盔珏壅 作者签名：j 翠_ 二堑立生一 日期：业年j l 月上乙日 高温条件下m e m s 微构件动态特性测试技术研究 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 作者签名： 导师签名： 日期： 泣盆金年上l 月上l 日 日期：三篁! 军年月l 日 大连理工大学硕士研究生学位论文 1绪论 1 1 课题研究背景 微机电系统( m i c r oe l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m s ，m e m s ) 是在微电子技术的基础上发 展起来的，利用了硅微加工、电镀模板复伟i j ( l i g a ) 技术和精密机械加工等多种微加工技 术。美国北卡罗莱纳微电子中心( m c n c ) 把m e m s 定义为：由电子和机械元件组成的 集成化器件或系统，采用与集成电路兼容的大批量处理工艺制造，尺寸在微米到毫米之 间。尤其是将计算、传感与执行融为一体，从而改变了感知和控制自然界的方式【l 】。 图1 1 为m e m s 器件模型，它包括感知和控制外界信息( 力、光、磁、热、化等) 的传感器和执行器，以及进行信号处理和控制的电路，是更广泛意义上的集成芯片系统 ( s y s t e m o nc h i p ，s o c ) 。 i 力h - i 光卜- 传 m e m s 执 l 磁卜- 感 一 行 i 热卜 丁tt i 化学卜- 器器 与其他系统的接口 i 其他卜- 感测量 光电磁微机理 图1 1m e m s 器件模型 f i g 1 1 m o d e lo f m e m sd e v i c e m e m s 技术表现为多学科前沿高度综合、交叉和渗透，应用领域非常广阔。它的发 展将对2 1 世纪的人类生产和生活方式产生革命性的影响，是关系国民经济发展和国家 安全保障的战略技术。 由于m e m s 器件在不同的环境( 主要是不同的压力和温度) 下的性能和响应特性 是不同的1 2 。3 j 。随着微加工和m e m s 技术的发展，m e m s 高温微器件得到越来越广泛的 应用。例如m e m s 高温压力传感器其温度范围从3 5 。c 3 0 0 ( 甚至更高) ，压阻式m e m s 压力传感器的基本工作原理是利用敏感元件( 一般为硅材料) 的压阻效应，采用集成工 艺技术经过掺杂、扩散、沿单晶硅片上的特定晶向，制成应变电阻，构成惠斯通电桥， 高温条件下m e m s 微构件动态特性测试技术研究 利用硅材料的弹性力学特性，将感受的压力变化信号转化成电阻或电压变化信号输出， 通过标定输出信号与压力的对应关系后，即可测量压力的大小。而电容式压力传感器则 是利用了微构件感受压力使得电容变化的关系来测量压力的。所以不论是压阻式压力传 感器还是电容式压力传感器或其他形式的压力传感器，其基本原理又是通过微悬臂梁等 微构件的微型位移或变形来实现测量功能的，其微构件的谐振频率等动态特性在很大程 度上决定了器件性能 4 - 6 。因此研究微悬臂梁等微构件在不同温度环境下的动态特性对 m e m s 微器件的设计、产业化及提高其可靠性有着指导意义。 1 2 m e m s 微构件的动态测试 为了开发适宜于大批量生产的可靠的微机电系统( m e m s ) ，先进测试技术与装置的 研制已经成为m e m s 发展的迫切需要。微机电系统( m e m s ) 测试，根据测试时被测微 构件是否处于运动状态，将m e m s 微构件的测试分为静态测试和动态测试两大类，静 态测试包括了两种情况，一种是测量m e m s 器件在静止状态下的各种特性，第二种是 通过激励装置使得器件状态发生变化，待器件稳定后测量其变化后静止状态的各种特 性；而动态测试则是采用激励装置对器件施加特定的激励信号，使得器件运动起来，测 量器件在运动状态时的特性变化。在m e m s 测试中，动态测试技术具有相当重要的研 究意义。首先，m e m s 的系统功能主要是通过微结构的微小位移和变形来实现的，其动 态特性决定了许多m e m s 构件的基本性能，因此对m e m s 微结构的固有频率、振动模 态、品质因数q 、响应时间和阻尼系数等参数进行精确测量已成为开发m e m s 的重要 内容。其次，材料属性和机械力学参数以及m e m s 构件可靠性等关键问题均可以通过 m e m s 动态测试技术加以解决。m e m s 微构件的测试方法和技术已成为m e m s 设计、 仿真、制造及质量控制和评价的关键环节之一，将微器件的实际机构参数，材料特性和 运动特性等参数及时，准确地反馈给设计者，有助于缩短器件的研究开发周期，提高设 计加工的成品率，对于加快微机电系统器件的发展有重要意义【例。 1 2 1m e m s 微构件动态特性测试的激励技术方法 m e m s 微结构动态测试与宏观机械结构一样，包括振动激励、振动测量和模态分析 等三个基本环节，即首先通过某种激励力作用在被测m e m s 结构上，使其产生振动响 应，然后通过某种测量方法获得激励和响应信号，最终通过信号处理以确定m e m s 结 构的自然频率、模态向量等参数。因此，只有对m e m s 结构进行有效激振，并准确测 量m e m s 结构在激振状态下的输入和输出信号，才能实现m e m s 动态参数的准确获取。 目前，应用于m e m s 微器件动态特性测试的激励方法比较多。m e m s 微器件受到 激励后，获得测试实验所希望的运动状态。根据m e m s 微器件所要达到的运动状态或 大连理工大学硕士研究生学位论文 m e m s 微器件性质的不同，所应用的激励方式也各有不同。从而根据不同激励方式而设 计的激励装置就有所不同。由于m e m s 结构本身的极微小尺寸、超高频振动响应和复 杂的工作环境，决定了m e m s 微结构激振和运动测量的困难性和复杂性，一般激励方 式有如下几种【1 0 】： ( 1 ) 机械激励 利用电机驱动一个机械装置实现往复运动，这是机械激励的一般实现方法。电机和 机械装置的带载能力越强，驱动力就越大。但是，机械激励不容易实现较高的振动频率。 在m e m s 微器件动态特性测试中，由于微器件的体积质量一般较小，而固有频率比较 高，因此机械激励很少应用在m e m s 微器件动态特性测试中。 ( 2 ) 光热激励 光热激励是用光纤耦合激光束，垂直指向微悬臂梁( 典型m e m s 微器件) 的表面。 在微悬臂梁的表面，激光束的能量被吸收了一部分，因此就可以建立一个时间与温度的 函数关系。如果调制激光束的密度，就会驱动微悬臂梁周期性地弯曲。光热激励仅适用 于真空或空气环境中，应用于液体中时，主要缺点是由于液体的反射、折射作用，以及 一部分光能被液体吸收，因此聚集到微悬臂梁上的能量就相对减少，这将使测试实验结 果存在很大的误差。 ( 3 ) 声波激励 声波激励是用个小扬声器产生声波，声波通过空气传播到微悬臂梁，在微悬臂梁 上造成压力差，迫使微悬臂梁振动。这种激励方式尤其适用于m e m s 微器中相对薄的 微悬臂梁动态特性测试实验中。但是，在某些特殊条件下测试时实验效果不佳，如液体 环境中液体的流动会造成声波共振，对微悬臂梁的测试实验产生一定的影响。 ( 4 ) 磁激励 磁激励是利用螺线管产生外部磁场直接激励微悬臂梁振动。这种驱动方法的缺点是 要求微悬臂梁上要制各磁性薄膜。另外磁激励仪器结构复杂，成本较高，而且磁驱动会 在3 0 5 0 k h z 范围内产生干扰信号。同时磁铁对样品容易造成污染，电磁还会造成测试 实验装置局部温度升高，影响测试结果的准确性。 ( 5 ) 静电激励 静电激励是利用变化的电场来激励微悬臂梁振动。这种方法需要在微悬臂梁上制作 出电极，这样在变化的电场作用下，微悬臂梁才能振动。由于实验环境中其它电场的存 在，微悬臂梁测试实验可能受到干扰。不过，应用静电激励可以产生1 0 0 k h z 以上的微 悬臂梁振动频率，而且利用静电屏蔽的方法可以将干扰电场控制在一个较小的范围内。 正是由于这个原因，在微器件动态特性测试领域静电激励应用比较多i 】。 高温条什i - h f 幅微构件动态特比删试技术研究 ( 6 ) 电热撒励 电热激励是利用微悬臂粱上热应力的变化，而使微悬臂粱产生振动。山于靠近微悬 臂粱固定端处的热应力变化晟大，因此般要利用电热激励的测试方法，需要在靠近微 悬臂粱固定端处设计压敏电阻或压电电阻。引为最佳激振点应选在相应振型的最大振幅 位置，这样激振效果才能最优，故微悬臂粱激励电阻应选在其自由端位置。为防止加热 过程中电阻率不均匀造成局部过热烧坏器什，应该将电热激励电阻设计成为多个并联的 形式【”1 。 ( 7 ) 底座激励 利用压电陶瓷实现的压电激励又可以称为底座激励【l “，它是目前比较常用的激励微 悬臂粱振动的方法。微悬臂梁固定在压电陶瓷上，在压电陶瓷上下电极之间施加削期变 化的电压，由于丁f 压电效应和逆压电效应的作用，在压电陶瓷卜产生相应的机械变形， 从而带动微悬臂梁振动。这种方式的优点是激励微悬臂粱振动的幅度可以很大，而且压 电陶瓷尺寸可以做的很小。同时，压电陶瓷在激励过程中发热量低，对测试电路的干扰 也很小。目前，由于压电陶瓷制作水平的提高，它的各种性能小断增强，崮此这种激励 方法越来越多的被应用于m e m s 微器件动态特性测试实验中。 孙鼬 扭) 实物罔( b ) 原理示意图 图12 压电底庠激励装置 f i gi 2s c h e m a t i co f ab ee x c i l a t i o n f a c i l i wu s i n gp l e z o a c t ua t o r 图12 是d a v i dse p p 等人在研究m e m s 动态删试时采用的激励装置。该装置主 耍由激励元器件( 压电陶瓷) 、质量块和隔振泡沫组成。激励元器件采用啦层压电陶瓷片， r i 、电陶瓷和质量块之矧采用胶粘接，质量块的作用是使压电陶瓷被骀动后，在背离质最 块的方向j 。产生输出位移，从m 使得连接在雎电陶瓷上的待删微器件获得更蚶的激励效 果：隔振泡沫的作用是降低外界 扰对测试的影响。 大连理j 大学硕l 研究生学位论文 12 2m e m $ 构件动态特性测试高温环境 图i3 为华中科技大学研制的基于压电陶瓷的m e m s 测试用的多载荷加载台 1 5 - 1 6 1 。 测试系统包括两部分，一部分是集成了相移干涉仪、微目镜，频闪图像仪和底座激励的 激励测试系统，这个测试系统不但能测量微构件的表面形状和变形，而且能测量微构件 的面内和离面运动。图14 是个环境控制设备，这个能够给m e m s 钡4 试提供不同的压 力和温度环境。包括一个压电激励器、加热器和m e m s 测试设施，其中给压电激励器 施加1 0 0 v 的交流电压，从而给微构件施加一个正弦的动作激励，振幅可达1 5 a m ，振 动的最高频率为i o k h z 。加热器改变微构件的温度，腔体的压力通过抽真空和充气膨胀 改变，从而给微构件施加不同的压力条件。其中加热器采用的是硅胶加热板与其配套的 温度传感器和p i d 控制仪组成，加热温度最高为1 5 0 ，温控精度为1 。 d ，( _ l ：“叫“u 。州、品。“r ：_ ：2 i 卜糜一 昏峰 i l 一：；：n 华 ，黧! l 罩一萋 1 一”i 目i f 一 茹：耳拜j i ? 翠一 。一i ：量鋈茎二二r 暑- ，半型 ：墨，三： 图l3 女9 试系统布局图 f i g l3l a y o u t o f t h e m e 髂u r e m e n ts y s t e m 。 ? 逼 i辜乎 三警 高温条件i - m e m s 微构件动态特性测试技术研宄 圈14 环境控制设备 f i g1 4t h ee n v i r o n n e n t a lc o n t r o lf a c i l i t y 123m e m s 构件动态特性测试方法 m e m s 本身的极微小尺寸( 毫米级到微米级) 和高频振动响应( 数万赫兹到数兆赫 兹) ，决定了m e m s 动态特性测试的困难性和复杂性。基于压电、应变等效应的传统 接触式测量方法将无法胜任，因而要求采用基于光学的非接触式无损测量，如激光多普 勒测振、显微机器视觉测量、激光干涉测量等。其中，激光多普勒测振技术最为成熟， 可以实现实时高速纳米级精度测量，井日又以其精度高、线性度好、动态响应快、测量 范围大及非接触测量等特点在各种运动测量中得到了很大的发展。已有商品化产品出 售：频闪视觉测量和频闪干涉测量代表了目前最先进的m e m s 动态测试技术，但该技 术目前仅被国外极少数儿家著名人学的科研小组所掌握，目前尚没有商品化产品：围内 在m e m s 动念测试方面基奉r 还处于起步阶段。 另种m e m s 动态测试技术是内置自测试( b u i l t i ns e l f - i e s t ，b i s t ) 技术，b i s t 是在 设计m e m s 器件时便考虑到其测试问题，通过对设计结构作简单的改变，将测试环节 集成在器件内，测试时只需对外围电路怍较小的调整就可以完成对器件自身的动态静态 测试。 ( 1 ) 计算机微视觉系统 美国m i t 微力学实骑守的dmf r e e m a n 教授领导的研究小组是国际上展甲开展 m e m s 动态测试技术研究的单位之，他们建立的i c m v ( 干涉计算机微视觉) 系统如图 1 5 所示对丁m e m s 器件的平面微运动，采用频闪成像和光流梯度的方法实现业像素 级的高精度测量【l ”，运动幅度的分辨率最高町达25 n m 。对于m e m s 器件的离而微运 动，早期采用的频闪成像和光学离焦切片的测带方法，运动幅度的测量范m 为1 0 0 “， 分辨率蛀高叫到5 r i m 。其突出优点在f 可以实现、f 血运动与离面运动结合的i 维测量， 但是山于训算机视赏技术存测量离而运动时，删量分辨率受光学成像系统的限制。 大连理工大学硕士研究生学位论文 刃号铲待测器件 图1 5 微视觉测量系统示意图 f i g 1 5 s c h e m a t i co f t h ec o m p u t e r - m i c r o - v i s i o ns y s t e m ( 2 ) 频闪干涉系统 h a r t 等设计的频闪干涉系统( s t r o b o s c o p i ci n t e r f e r o m e t e rs y s t e m ，s i s ) 如图1 6 所示， 它主要用于测试m e m s 微器件动态特性。利用频闪照明使周期运动的微器件“静止”， 通过对照明控制信号的相位微调，获得运动结构处于不同相位的“静止图像”，对这一系 列静止图像进行分析就可以得到相关的运动参数。h a r t 系统的核心是一个由偏振光束分 光器形成的t w y m a n g r e e n 干涉仪，光源是波长为6 5 8 n m 的激光二极管。系统通过一 个可转半波片( h w p ) 在光束进入偏振光束分光：a 器( p b s ) 前改变其极化角，以获得高对比 度的干涉条纹。干涉仪的每条光路中均有一个1 4 波片，保证试样和参考镜的反射光线 进入c c d 阵列表面形成干涉图，通过对干涉图样的分析处理获得被测结构的位移、变 形、固有频率和振型等动态特性。 高温条件下m e m s 微构件动态特性测试技术研究 图1 6 闪频干涉仪测试系统 f i g 1 6s t r o b o s c o p i ci n t e r f e r o m e t e rt e s t i n gs y s t e m ( 3 ) 激光多普勒测振仪 当单频的激光源与探测器处于相对运动状态时，探测器所收到的光频率将是变化 的。当光源固定时，光波从运动的物体散射或反射并由固定的探测器接收时，也可观察 到这一现象，这就是光学多普勒效应，其频率的变化称为多普勒频移。激光多普勒振动 仪( l a s e rd o p p l e r v i b r o m e t e r ，l d v ) 是利用该原理的测量仪器，。是典型的非接触式无损 动态测量设备，具有纳米级的测量精度，在宏观结构和微型结构的动态测量方面都获得 了广泛应用。激光多普勒测振是一种单点振动测量技术，但是可以获得速度和加速度等 更多的动态参数，可以实现瞬态运动测量，德国p o l y t e c 公司系统地开展勒将激光多普 勒测振技术应用于m e m s 动态测试系统的研究工作，图1 7 为典型的激光多普勒测振系 统【1 9 。2 0 】，通过光纤将激光束直接耦合进显微镜系统，在1 0 0 倍物镜下，激光光斑的大小 为0 5 z m ，测量频率可到3 0 m h z 。 b u r d e s s 等使用该系统测试了采用微机械加工技术加工的微悬臂梁和微桥等结构的 前三阶振动模态，在测试实验过程中使用的微悬臂梁和微桥结构尺寸均为2 m m x 0 2 m m x 3 眦n 2 1 之2 1 。 - 8 大连理工大学硕士研究生学位论文 图1 7 激光多普勒系统示意图 f i g 1 7s c h e m a t i co f t h el a s e r - d o p p l e rs y s t e m 1 3 本文主要研究内容及意义 本文针对本课题的特点，研制的高温环境m e m s 动态测试装置，可以实现m e m s 微构件在室温3 0 0 之间任意的温度环境，并且能达到较高的精度要求。利用激光多普 勒振动仪对在指定温度条件下微悬臂梁的谐振频率进行测量，测量的精度比较高，可重 复性比较好。 本文围绕着高温环境下m e m s 动态特性测试技术研究，做了如下方面的工作： 在查阅大量文献的基础上，对高温条件下微构件动态特性的测试方法及装置研究现 状进行了总结。 在查阅大量文献和咨询国内厂家产品的基础上，确定一种适合本测试研究的加热方 法及订购加热器件。 设计了测试装置的整体部件，解决了局部加热、激励隔振、压电陶瓷保护等问题。 开发了基于虚拟仪器技术测试装置的温度自动控制软件，用于实现m e m s 微构件动 态特性的高温环境，包括数据采集、滤波、显示及数据保存、模糊p i d 控制、p w m 控制输出等程序模块。 应用激光多普勒测振仪对指定温度下的微构件的谐振频率进行测量。 高温条件下m e m s 微构件动态特性测试技术研究 2 测试装置设计 2 1 测试装置技术方案 为了完成对m e m s 微构件在高温条件下动态特性的测试，本测试装置的技术方案 需要考虑以下五个方面的内容： ( 1 ) 高温条件的创建 本系统中高温条件的产生主要靠装置局部加热，选取了小尺寸2 4 x 1 9 x l ( m m ) 的 m c h 陶瓷加热片作为加热元件，隶属电阻加热方法。并在一定的算法控制下快速、准 确达到目标温度条件。 ( 2 ) 高温值条件下微构件的激励 基于m e m s 工艺的微惯性器件本身的尺寸小( 毫米级到微米级) ，内部微结构的 固有频率很高，这就意味着激励装置也必须具有较高的频率以达到激励微结构的要求。 微构件的激励方法目前主要有电磁激励、静电激励、电热激励、光热激励和压电激励等 方法。相比之下，压电材料能产生很高的激振频率，线性度好，结构简单且容易控制， 应用十分广泛，在此我们选择了压电陶瓷作为激振器来实现对微构件的激励。 ( 3 ) 高温条件下激励装置 基于压电陶瓷的高温下微构件的高温激励装置，采用局部加热方式，考虑到压电 陶瓷的工作温度因素，和激光多普勒测试因素，涉及了一套基于加热、升降、激励、光 测等功用的高温激励装置。 ( 4 ) 温度自动控制系统的计算机实现 设计和实现了一种采用工控机与温度调理模块、数据采集卡、固态继电器及相关控 制电路搭建的计算机电阻加热控制系统。该系统利用f u z z y p i d 控制算法，以p w m 方 式对执行器件进行调节，实现了对加热温度的精确控制。满足了高温m e m s 动态测试 对温度的控制精度和控制规律的需求。 ( 5 ) 微构件激励响应信号的检测 根据信号检测方法的不同，主要包括电测法和光测法两种，其中电测法是指在微构 件上集成有敏感元件，通过敏感元件检测微构件的运动；光测法是指采用激光干涉等方 法照射在微构件表面的反射光来检测微构件的运动。本系统中采用了光测法的方案，采用 p o l y t e c 公司的激光多普勒测振仪对微悬臂梁的响应输出信号进行测量，从而得到指定温 度下微悬臂梁的谐振频率。 大连理工大学硕士研究生学位论文 最终，本测试装置采用的技术方案为：小尺寸的电阻加热元件产生高温条件，并利 用工控机和数据采集卡等实现自动控制，利用压电陶瓷产生的冲击实现对微构件的激 励，利用激光多普勒检测微构件的响应输出信号。 2 2 测试装置硬件构成 为了能在不同温度条件下对微构件进行动态性能测试，首先要对微构件在该温度条 件下进行激励使其产生振动，然后对其输出的响应信号进行测量。上述已经选择了基于 压电陶瓷的底座激励，对于压电陶瓷的耐热温度只有7 0 - 8 0 左右，而需要完成微构 件在室温- - - 3 0 0 下任何温度的动态性能测试，这就需要选择合适的局部加热方法，还 有对压电陶瓷进行温度的隔热保护等。 2 2 1 压电陶瓷激励方式及特性 本测试装置设计了一套在高温条件下利用压电陶瓷对被测微悬臂梁施加冲击激励 的激振装置。 由于微构件尺寸小，对构件本身进行直接激励较难实现，比较分析前述常用于 m e m s 动态测试的激励方法，可以看出压电陶瓷的激励方式可以看出压电激励能产生较 高的激振频率，线性度好，结构相对简单且易于控制。所以采用底座激励的激振方式， 即将微器件固定在压电陶瓷底座上，通过压电陶瓷底座的振动实现对微器件的激励。固 定方法主要有钢螺栓固定、粘接、永久磁铁三种方法。微器件与压电陶瓷在刚性连接的 情况测得的结果比较理想，但在实际安装时，往往难以达到微悬臂梁与压电陶瓷的刚性 连接，此时微悬臂梁的共振频率和使用上限频率会随之下降。用螺栓及硬性粘接固定时 降低很少，用永久磁铁固定时降低较大。我们采用了硬性粘接的方法，粘接剂选用耐高 温的密封胶。 利用压电陶瓷的逆压电效应，给压电材料施加一电场时，压电陶瓷会发生形变，输 出位移。利用压电陶瓷的冲击响应也可以实现微构件的动态激励。压电陶瓷具有响应时 间短，反应迅速的特点，当给压电陶瓷施加阶跃电场时，压电陶瓷会产生冲击。由动态 测试理论可知，如果对微构件冲击作用的时间足够短，微构件实际上是受到作用力p 的 冲量的作用一冲击脉冲的作用通过频谱分析可以看出，一个冲击脉冲包括了从零到无 限大的所有频率的能量，并且它的频谱是连续的。但是，只有在与微结构的固有频率相同 时，相应的频率分量才对此微结构起作用，它将激励微结构以其自身的低阶固有频率作 自由振动。因此，压电陶瓷可以用来实现对微构件的冲击激励，且如果压电陶瓷本身谐 振频率越高，在时域内其响应时间越短，其产生冲击激励带宽越宽。 r 钎温条州rm e m s 微构十 - 动忐特陆测试技术研究 图2 1 压电陶瓷实物图 f i g2 1p i e z o e l e c t r i cc e r a m i cu s e d i n t h ee x p e f i m e n t s 采_ j 压电陶瓷作为底座激励的驱动器，常见的压电陶瓷正常工作时，需要对它们施 加一定的1 = j i 紧力。在不同预紧力的作用下，压电陶瓷的些特性会发生改变。如图左图 所示。压电陶瓷在没有施加预紧力的情况下，驱动电压和位移增量的关系为a 曲线。当 有大小为m g 的恒定预紧力作用时，压电陶瓷的驱动电压和位移增量的关系为b 曲线， b 曲线可以近似看成a 曲线向位移负方向平移a l n ，a l n 计算方法如下【”l ： 呱2 素 21 ) 其中， = 喀，k ，表示压电陶瓷的劲度系数。 图2 2 中右图中预紧力是由弹簧产生的，a 曲线是没有施加预紧力的情况f 压电陶 瓷驱动电压和位移增量的关系曲线。当有劲度系数为k 。的弹簧提供变化预紧力日j ，驱 动电压和位移增量的关系如图2 2 中右阁b 曲线所示，相当于减少了压电陶瓷的最大位 移增量。设最大位移增量减小l r ，计算方法如下： 虬= + a k ( 2 2 ) “* 等 ( 2 3 ) x ，+ k ”等 ( 2 4 ) 其中，4 、k 。分别表示压电陶瓷的刚度及弹簧的刚度。山2 2 式得若弹簧刚度越小， 则几、电陶瓷实际输m 位移减少星越小。在实盼、应h j 中，抻簧川度一般1 ：超过压电陶瓷刚 度的1 1 0 ，本文中选件| 烁屯陶瓷的刚度为4 5 n u m ，冈此弹簧片刚度应不超过 45 n a m 。 大连理工大学硕士研究生学位论文 u 图2 2 预紧力对压电陶瓷特性影响 f i g 2 2e f f e c to fp r c l o a dt op i e z o e l e c t r i cc e r a m i c 当把压电陶瓷应用在激振领域时，压电陶瓷的固有频率和它在固有频率附近的振动 特性对测试实验十分重要，固有频率计算方法如公式2 5 所示。需要注意的是公式2 5 中的m e f ，它是压电陶瓷的等效质量，即电陶瓷和相关机械装置的质量和。要使压电陶 瓷产生振动，需要压电陶瓷驱动电源。压电陶瓷在驱动电源产生的驱动电压作用下，由 五= 去压 像5 ， 于电致伸缩效应的原因，压电陶瓷将会发生变形。由于压电陶瓷一般有很大的劲度系数， 当它在驱动电压的作用下伸长时，将会产生很大的驱动力。最大驱动力如公式2 6 所示， l o 为最大可伸长位移量。 e 。k t 厶 ( 2 6 ) ，嘣 l o ， 在进行微器件的动态特性测试实验时，压电陶瓷产生的冲击激励要经过很多中间环 节才能施加到微构件上，因此需要压电陶瓷的输出力和输出位移均足够大。 综合考虑了上述因素后，选定了哈工大博实精密公司p t b s 2 0 0 8 x 8 1 0 型压电陶瓷， 如图示。其外形尺寸8 x 8 x l o m m ，最大推力1 0 0 0 n ，在2 0 0 v 的电压下输出位移为1 0 岬， 等效电容为0 9 心，刚度为4 5 n g m 。 2 2 2 高温环境的产生 根据电能转换方式的不同，电加热通常分为电阻加热、感应加热、电弧加热、红外 线加热和介质加热等。 ( 1 ) 电阻加热 高温条件下m e m s 微构件动态特性测试技术研究 电阻加热是利用电阻r 产生的焦耳热的方式。电阻加热有两种方式，一种是被加热 物体直接通过电流而加热的直接加热方式，另一种是将发热体加热后，用该热量对被加 热物体通过传导、辐射及对流等方式进行加热的间接加热方式。 ( 2 ) 感应加热 将导体置于交变的磁场中，其内部将产生感应电流( 涡流) ，涡流在导体内部克服 内阻流动而产生热量。利用涡流产生热量进行加热的方法就是感应加热。感应加热必须 有产生磁场的加热线圈。由于感应加热产生的交变磁场对铂传感器会产生强烈的干扰， 对测量精度会产生严重的偏差。 ( 3 ) 电弧加热 利用电弧产生的高温加热物体。电弧是两电极间的气体放电现象。电弧的电压不 高但电流很大，其强大的电流靠电极上蒸发的大量离子所维持，因而电弧易受周围磁场 的影响。当电极间形成电弧时，电弧柱的温度可达3 0 0 0 - - 6 0 0 0 k 。 ( 4 ) 红外线加热 红外加热是先使电阻发热元件通电发热，利用该热来激发红外线发射物质，使其辐 射出红外线来照射进行加热的方式。红外线是一种电磁波，由于不需要空气作为媒体， 直接对被加热物体进行照射，因此加热效率高，加热速度快。 ( 5 ) 介质加热 将电介质( 绝缘体) 插入平行板电极之间，加上电场，电介质中的极性分子会沿着 电场的方向形成有序排列，这一过程称为极化。外加电场越强，极化作用也越强。当外 加电场改变方向时，则极性分子也随之以相反的方向形成有序排列。因此，若在电极间 加上高频电场，则极性分子随电场方向的快速改变而剧烈旋转振动、磨擦。电介质加热 就是利用这时的分子相互之间的磨擦而产生热量，完成了电磁能向热能的转换，电介质 加热通常用来加热不导电材料。 综上而述比较适合本系统的局部加热方式有电阻加热和红外线加热。 常常将红外光谱划分为几个波段：0 7 5 - - 3 0 p m 为近红外线区；3 0 - - 6 0 g n 为中红 外线区；6 0 1 5 o为远红外线区；1 5 0 为极远红外线区。不同物体对红外, t u n1 0 0 0 a n 线吸收的能力不同，即使同一物体，对不同波长的红外线吸收的能力也不一样。因此应 用红外线加热，须根据被加热物体的种类，选择合适的红外线辐射源，使其辐射能量集 中在被加热物体的吸收波长范围内，以得到良好的加热效果。由于金属的结构比较的致 密，红外线对金属的穿透深度很小，2 0 对光洁表面的铁的穿透深度d ，为【2 4 】： 以= 4 5 9 x 1 0 。九 ( 2 7 ) 大连理工大学硕士研究生学位论文 式中九为辐射线在真空的传播的波长，c m 由此可知，金属对红外线的可透视率几乎为零，投射到工件表面的红外线除被其吸收外， 其余被反射出去，金属表面对辐射线单色吸收率口。为： 口，= 3 6 0 5 f r i x ) 2 ( 2 8 ) 式中：名一红外线波长，彬；r 一金属的单位电阻，q c m 由上式可知，金属表面的单色吸收率随射线波长减短而增加，表1 为光洁钢材表面9 2 7 时单色吸收率与波长的关系。 表2 i 光洁钢表面的单色吸收率 t a b 2 1m o n o c h r o m a t i cl i g h ta b s o r b i n gr a t i oo fc l e a ns t e e ls u r f a c e 由表2 1 可知，当入射线波长 气时为了更快的升温到目标值，采用比例系数较 大的纯比例加热，当参考输入ipl 哝时，采用模糊p i d 控制，缩短调整时间，本文设定 e k = 3 0 。c 。 l a b v i e w 本身是一功能完成的软件开发环境，定义了数据类型、结构类型、语法 规则等编程语言的基本要素，也提供了包括断点设置，单步调试和数据探针在内的程序 调试工具，在功能完整性和应用灵活性上不逊于任何高级语言。 大连理工大学硕士研究生学位论文 削31 1 模糊规则编辑器 f i g31 i t h ee d i t o r o f f u z z y h i e s 本文是利用l a b