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

簡介

在一些微引擎、微型齒輪和其它MEMS裝置中，偏離平面的運動（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(dǎo)致早期失效的非正常磨損。偏離平面的運動還會影響MEMS裝置的動態(tài)響應(yīng)，因為微型齒輪、甚至整個裝配組件會產(chǎn)生不希望有的震顫或沖擊載荷。

本文將描述Sandia微引擎驅(qū)動齒輪和輸出齒輪的回轉(zhuǎn)運動特性，表明未經(jīng)平衡的微型齒輪在繞其軸線旋轉(zhuǎn)時，其偏離平面的傾斜位移是如何實現(xiàn)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，將實驗中的測量結(jié)果與通過分析制造公差而確定的預(yù)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(tǒng)中，制造公差約為500nm。根據(jù)微引擎的幾何尺寸，可以確定驅(qū)動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(dāng)小，但與可見光的波長相比仍然很大，因此，采用光學(xué)干涉法來測量、試驗和表征微齒輪傳動系統(tǒng)是完全可行的。

實驗方法

微齒輪的位移作為微引擎工作狀態(tài)的函數(shù)，對它的測量是采用WPI開發(fā)的光電激光干涉顯微鏡（OELIM）測量技術(shù)來實現(xiàn)的。

為了研究旋轉(zhuǎn)中的MEMS裝置的動態(tài)特性，開發(fā)了一整套測量方法，該方法可實現(xiàn)量化的、實時的全視場成像，具有分析確定各物理量（如微齒輪旋轉(zhuǎn)時偏離平面的傾斜量）的能力。

在OELIM測量方法中，將一束準(zhǔn)直激光引入系統(tǒng)，直接進(jìn)入由1個顯微物鏡和1個針孔濾波器組成的空間濾波器（SF）。得到的擴展光場經(jīng)鏡頭L1準(zhǔn)直后，由導(dǎo)向光束分光鏡（DBS）轉(zhuǎn)向，然后通過長距顯微物鏡（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小角度。這樣，從觀察點可以看到兩個光強分布區(qū)：一個是由物體反射的光，另一個是從PBS底面反射的光。反射光通過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(dāng)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進(jìn)行有價值的定性評定，而且還能根據(jù)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(gòu)中，微引擎由兩個相互正交的靜電驅(qū)動電梳致動器提供動力，致動器通過驅(qū)動臂連桿機械連接到一個轉(zhuǎn)動的輸出微齒輪上，該微齒輪能為一個加載裝置提供扭矩。靜電致動器則由一個外部信號源驅(qū)動。關(guān)于微引擎工作特性的更為詳細(xì)的闡述，包括其設(shè)計和制造方面的內(nèi)容，可以在其它文獻(xiàn)中查找到。

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

驅(qū)動齒輪的位移測量在分4步回轉(zhuǎn)時每一步測量一次；輸出齒輪的位移測量也在每回轉(zhuǎn)90°增量時進(jìn)行一次，即驅(qū)動齒輪每轉(zhuǎn)動一整圈測量一次。

結(jié)果與討論

為了確定微引擎的偏擺位移，我們首先必須通過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個被測位置上每一位置獲得的單幅干涉圖。

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

在驅(qū)動齒輪兩個角位置的干涉圖像中，干涉條紋數(shù)目的變化以及它們的方位清楚地表明，在驅(qū)動齒輪的回轉(zhuǎn)周期中，當(dāng)角度位置發(fā)生變化時，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而清楚地表明了微齒輪運動的變化特點。輸出齒輪與驅(qū)動齒輪的齒輪比為4∶1，當(dāng)驅(qū)動齒輪從位置1起每回轉(zhuǎn)一圈，就對輸出齒輪進(jìn)行一次測量。

當(dāng)輸入方波進(jìn)行實驗時，可以觀察到微齒輪在每次旋轉(zhuǎn)通過某一確定角度位置時，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(qū)動信號的張弛時間，即增量加載之間的時間。對于方波輸入，信號的突跳性對于銷子連接和齒輪恢復(fù)（即減小傾斜）來說，時間已足夠了。

令人感興趣的是，驅(qū)動齒輪傾斜幅值的上限約為1030nm，這與對驅(qū)動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，其傾斜幅值變動性較小，且與輸入無關(guān)。然而在方波輸入的情況下，觀察到傾斜方向的方位在0°～360°之間變化。

結(jié)論

我們已經(jīng)開發(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(zhuǎn)周期中位置的函數(shù)。根據(jù)微引擎的幾何精度狀況，我們預(yù)期驅(qū)動齒輪的傾斜位移約為1000nm，實際上也達(dá)到了。驅(qū)動齒輪向下傾斜的方向基本上也與預(yù)期一樣。向下傾斜的方向在旋轉(zhuǎn)角度上有所變化，根據(jù)經(jīng)驗，認(rèn)為是震動造成的。

微引擎回轉(zhuǎn)時偏離平面的振擺可以利用OELIM方法測得，它是輸入驅(qū)動信號的函數(shù)。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(qū)動，當(dāng)微齒輪相對于外殼回轉(zhuǎn)時，就會產(chǎn)生偏離平面的傾斜，傾斜量取決于所采用的驅(qū)動信號。

我們觀察到，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(zhuǎn)周期中銷子施加在驅(qū)動齒輪上的力有關(guān)。說得詳細(xì)一點，所觀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(xiàn)有設(shè)計中致動器的夾緊問題有關(guān)。

本研究采用了4步方波輸入來驅(qū)動微引擎。在4步輸入過程中，驅(qū)動齒輪偏離平面的傾斜幅值的變化范圍為：驅(qū)動齒輪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(zhuǎn)速度高達(dá)每分鐘100萬轉(zhuǎn)的MEMS微引擎提供測量、試驗和表征手段。(end)