用于高速旋轉MEMS微引擎動(dòng)態(tài)特性研究的光學(xué)測量技術(shù)進(jìn)展

簡(jiǎn)介

在一些微引擎、微型齒輪和其它MEMS裝置中，偏離平面的運動(dòng)（偏擺）對它們的使用性能和可靠性有很大影響，其后果包括齒輪脫離嚙合和導致早期失效的非正常磨損。偏離平面的運動(dòng)還會(huì )影響MEMS裝置的動(dòng)態(tài)響應，因為微型齒輪、甚至整個(gè)裝配組件會(huì )產(chǎn)生不希望有的震顫或沖擊載荷。

本文將描述Sandia微引擎驅動(dòng)齒輪和輸出齒輪的回轉運動(dòng)特性，表明未經(jīng)平衡的微型齒輪在繞其軸線(xiàn)旋轉時(shí)，其偏離平面的傾斜位移是如何實(shí)現可視化的，以及這些傾斜位移量是如何測定的。

特別需要指出，將實(shí)驗中的測量結果與通過(guò)分析制造公差而確定的預估偏離位移量進(jìn)行了比較。按照目前的制造水平，在微型齒輪系統中，制造公差約為500nm。根據微引擎的幾何尺寸，可以確定驅動(dòng)齒輪和輸出齒輪的最大傾斜偏擺量分別約為1100nm和500nm。雖然MEMS裝置相當小，但與可見(jiàn)光的波長(cháng)相比仍然很大，因此，采用光學(xué)干涉法來(lái)測量、試驗和表征微齒輪傳動(dòng)系統是完全可行的。

實(shí)驗方法

微齒輪的位移作為微引擎工作狀態(tài)的函數，對它的測量是采用WPI開(kāi)發(fā)的光電激光干涉顯微鏡（OELIM）測量技術(shù)來(lái)實(shí)現的。

為了研究旋轉中的MEMS裝置的動(dòng)態(tài)特性，開(kāi)發(fā)了一整套測量方法，該方法可實(shí)現量化的、實(shí)時(shí)的全視場(chǎng)成像，具有分析確定各物理量（如微齒輪旋轉時(shí)偏離平面的傾斜量）的能力。

在OELIM測量方法中，將一束準直激光引入系統，直接進(jìn)入由1個(gè)顯微物鏡和1個(gè)針孔濾波器組成的空間濾波器（SF）。得到的擴展光場(chǎng)經(jīng)鏡頭L1準直后，由導向光束分光鏡（DBS）轉向，然后通過(guò)長(cháng)距顯微物鏡（MO）照明被測物體。近程光束分光器（PBS）放置于物體之上，并相對于物體傾斜一個(gè)小角度。這樣，從觀(guān)察點(diǎn)可以看到兩個(gè)光強分布區：一個(gè)是由物體反射的光，另一個(gè)是從PBS底面反射的光。反射光通過(guò)MO、DBS和一系列鏡片光路傳回CCD相機。

在本研究所用的OELIM裝置中，采用了平面波前，這樣當PBS引入光路中，即可得到相互平行的干涉條紋，利用由CCD獲取并經(jīng)計算機處理的單幅圖像，不僅能對微引擎和微齒輪的運動(dòng)進(jìn)行有價(jià)值的定性評定，而且還能根據光相位提供對偏擺位移的定量測量。此外，激光源采用了選通激光。

在本研究所用的微引擎機構中，微引擎由兩個(gè)相互正交的靜電驅動(dòng)電梳致動(dòng)器提供動(dòng)力，致動(dòng)器通過(guò)驅動(dòng)臂連桿機械連接到一個(gè)轉動(dòng)的輸出微齒輪上，該微齒輪能為一個(gè)加載裝置提供扭矩。靜電致動(dòng)器則由一個(gè)外部信號源驅動(dòng)。關(guān)于微引擎工作特性的更為詳細的闡述，包括其設計和制造方面的內容，可以在其它文獻中查找到。

對于本文討論的檢測試驗，驅動(dòng)齒輪回轉360°（即一整圈）需要分4步完成，每一步轉動(dòng)約90°，由驅動(dòng)裝置發(fā)出的方波信號來(lái)控制。輸入信號的頻率可調，可使驅動(dòng)齒輪的轉速在0～250000r/min之間變化。

驅動(dòng)齒輪的位移測量在分4步回轉時(shí)每一步測量一次；輸出齒輪的位移測量也在每回轉90°增量時(shí)進(jìn)行一次，即驅動(dòng)齒輪每轉動(dòng)一整圈測量一次。

結果與討論

為了確定微引擎的偏擺位移，我們首先必須通過(guò)干涉圖像計算出光相位。為了確定光相位，采用的方法是利用在微齒輪4個(gè)被測位置上每一位置獲得的單幅干涉圖。

一旦確定了連續的光相位，就可以利用光相位與光波長(cháng)的關(guān)系，計算出位移d。

在驅動(dòng)齒輪兩個(gè)角位置的干涉圖像中，干涉條紋數目的變化以及它們的方位清楚地表明，在驅動(dòng)齒輪的回轉周期中，當角度位置發(fā)生變化時(shí)，微齒輪與其所在平面發(fā)生了傾斜。干涉條紋方位和頻率的變化生動(dòng)而清楚地表明了微齒輪運動(dòng)的變化特點(diǎn)。輸出齒輪與驅動(dòng)齒輪的齒輪比為4∶1，當驅動(dòng)齒輪從位置1起每回轉一圈，就對輸出齒輪進(jìn)行一次測量。

當輸入方波進(jìn)行實(shí)驗時(shí)，可以觀(guān)察到微齒輪在每次旋轉通過(guò)某一確定角度位置時(shí)，并不總是回歸到同一傾斜值，測得的差值為530nm。這一差異主要取決于驅動(dòng)信號的張弛時(shí)間，即增量加載之間的時(shí)間。對于方波輸入，信號的突跳性對于銷(xiāo)子連接和齒輪恢復（即減小傾斜）來(lái)說(shuō)，時(shí)間已足夠了。

令人感興趣的是，驅動(dòng)齒輪傾斜幅值的上限約為1030nm，這與對驅動(dòng)齒輪橫截面的幾何尺寸（在考慮尺寸公差的情況下）進(jìn)行分析計算得到的極限幅值相吻合。

對輸出齒輪的研究表明，其傾斜幅值變動(dòng)性較小，且與輸入無(wú)關(guān)。然而在方波輸入的情況下，觀(guān)察到傾斜方向的方位在0°～360°之間變化。

結論

我們已經(jīng)開(kāi)發(fā)了OELIM測量技術(shù)，采用該方法我們能夠測量偏擺位移，測量精度約為10nm，該位移是微引擎在回轉周期中位置的函數。根據微引擎的幾何精度狀況，我們預期驅動(dòng)齒輪的傾斜位移約為1000nm，實(shí)際上也達到了。驅動(dòng)齒輪向下傾斜的方向基本上也與預期一樣。向下傾斜的方向在旋轉角度上有所變化，根據經(jīng)驗，認為是震動(dòng)造成的。

微引擎回轉時(shí)偏離平面的振擺可以利用OELIM方法測得，它是輸入驅動(dòng)信號的函數。目前的制造公差約為0.5μm，允許微齒輪與其外殼之間有足夠的空間。由于微齒輪采用電梳驅動(dòng)，當微齒輪相對于外殼回轉時(shí)，就會(huì )產(chǎn)生偏離平面的傾斜，傾斜量取決于所采用的驅動(dòng)信號。

我們觀(guān)察到，微齒輪的偏擺也與微齒輪的角度位置有關(guān)。這可能與在微齒輪回轉周期中銷(xiāo)子施加在驅動(dòng)齒輪上的力有關(guān)。說(shuō)得詳細一點(diǎn)，所觀(guān)察到的微引擎偏擺在相同的工作條件下并不一致，這或許與制造公差有關(guān)，或許與現有設計中致動(dòng)器的夾緊問(wèn)題有關(guān)。

本研究采用了4步方波輸入來(lái)驅動(dòng)微引擎。在4步輸入過(guò)程中，驅動(dòng)齒輪偏離平面的傾斜幅值的變化范圍為：驅動(dòng)齒輪0～±462nm；輸出齒輪0～±514nm。

OELIM測量技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，將為回轉速度高達每分鐘100萬(wàn)轉的MEMS微引擎提供測量、試驗和表征手段。(end)