高溫環境下 M EM S微構件動態特性測試技術研究?

李曉軻,王曉東,2,佘東生,張 濤,王立鼎,2

(1.遼寧省微納米技術及系統重點實驗室,遼寧大連 116024;

2.大連理工大學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 (M EMS)以其低成本、低功耗、微型化、集成化等優勢,在電子、汽車、軍事、航天等領域的應用逐漸廣泛和深入.隨著 MEMS逐漸產業化,對測試系統特別是對動態測試系統的需求越來越迫切[1],MEM S動態測試技術近年來得到了國內外許多研究機構的高度重視[2].MEM S的動態特性可以反映材料屬性及機械力學參數、MEMS可靠性與器件失效模式、失效機理等,是 MEM S設計、制造及產業化中的重要環節.

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,傳統的動態測試方法難以滿足要求.光學測試具有非接觸測量、測試精度高、響應快等優點,在 MEM S動態測試中得到廣泛應用,如頻閃顯微干涉技術、計算機微視覺技術、激光多普勒測振技術等.

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器件在不同的環境(主要是不同的壓力和溫度)下的性能和響應特性是不同的[4-5].研究 MEMS器件在不同溫度下的響應和性能變化規律,可以拓寬其應用領域,優化設計,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℃以下測試微構件.文獻 [6]建立了一種高溫環境下 MEMS微構件動態特性測試系統,利用基于壓電陶瓷的測試裝置測試了微構件在室溫～300℃環境下的諧振頻率.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),在更高溫度下應用存在較大難度.本文研究了高溫環境下微構件動態測試技術,分析了放電激勵原理,建立了高溫環境下 MEMS微構件動態特性測試系統,在室溫～500℃溫度范圍內測試了微構件的諧振頻率.

1 測試系統的構成

圖1所示為建立的高溫環境下 MEMS微構件動態特性測試系統總體組成框圖,主要包括激勵裝置、計算機監控單元、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為單相移相觸發器;11為激光干涉儀.

高溫環境下 MEM S動態測試需要解決的主要問題有:高溫環境下微構件的激勵、微構件溫度的控制、振動響應信號的測量和分析,其中激勵和信號測量分析是動態測試的關鍵.激勵裝置利用尖端放電產生的激波為激勵源,實現了高溫環境下對微構件的激勵.振動信號由激光多普勒測振儀測量,測量數據由計算機進行頻譜分析,得到微構件諧振頻率.計算機控制單元和溫度控制單元組成了微構件溫度控制系統,包括工控機、數據采集卡、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件溫度,接收計算機的調溫指令,構成閉環控制系統,通過溫度控制軟件控制微構件溫度,并監測激勵裝置溫度.

圖2 測試裝置Fig.2 Testing devices

2 激勵的實現

2.1 放電激勵原理

與宏觀機械結構一樣,M EM S動態測試系統包括激勵、測振和模態分析三個基本環節[7].M EM S微構件尺寸小、諧振頻率高,傳統的激勵技術無法直接應用在 MEMS動態測試中.激勵是實現動態測試的基本環節,微構件的激勵一般應采用非接觸方式,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生變形或產生平移,達到激勵固定在其上的微器件的目的.

目前,關于高溫環境下 MEMS微構件動態測試技術方面的研究,國內剛起步,如何在高溫環境下激勵微構件是一個值得探討的問題.外部場能激勵方式和內部集成激勵方式常對微構件及其制作工藝有特殊要求,如常需在微構件上制備壓電層等,難以在高溫環境下應用.而底座激勵結構簡單、通用性強,可以用于高溫環境下微構件的激勵.Yuan Fang Chou等[10]在常態下對微構件進行模態測試的時候,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用于高溫環境下微構件的激勵.

當兩個帶相反極性電荷的電極距離小到一定程度的時候,在曲率最大處會發生尖端放電現象.本文基于尖端放電原理,設計了激勵裝置,實現了對微構件的激勵.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,尖端處發生電暈放電、刷狀放電,最終形成電弧放電.電弧放電產生很大的瞬時電流,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,發出尖銳的爆鳴聲,產生激波.激波對底座產生瞬間沖擊作用,微構件受迫振動,達到激勵微構件的目的.

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.在數千伏高壓作用下,空氣間隙在極短時間內被擊穿,發生電弧放電.放電后,電容電壓不足以在同樣的間隙發生二次放電,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 激勵裝置結構功能

激勵裝置是整個動態測試系統中的關鍵組成部分,傳統動態測試中的激勵裝置無法直接應用于高溫環境下微構件的測試.基于放電底座激勵原理,并綜合考慮微構件的安裝和熱傳導等因素,設計了微構件激勵裝置,圖4是激勵裝置原理示意圖.為了滿足微構件高溫加熱要求,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件加熱.微構件通過鋁制的安裝板安裝在十字載臺上,以方便拆卸.微構件安裝板、十字載臺、陶瓷絕緣片和板電極使用高溫結構膠粘接,構成了激勵裝置底座.為了減少測試時的干擾信號,提高測量信號的信噪比,底座的質量應盡量小,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,設計了以直進式千分尺為核心的進給機構調節電極間隙.在電容能量不變的情況下,電極間隙可通過進給機構進行調整,這樣就能改變激勵能量,達到在不同能量下激勵微構件的目的.

實驗中最高溫度達到 500℃,而激光多普勒測振儀光學頭的環境使用溫度不能超過 40℃,為了減小高溫環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玻璃,激光多普勒測振儀安裝在外部對處于高溫環境中的微構件進行測試.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.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、計算機微視覺技術相比較,激光多普勒測振技術更成熟,且具有線性度好、動態響應快、測量范圍大等優點,能夠獲得速度和加速度等更多的動態參數.本文采用 Polytec公司OFV-534型激光多普勒測振儀,包括激光單元(包括激光發生器、干涉儀等)、光學頭、計算機等部件.光學頭的位置和傾角通過五維微動臺調節,使接收到的激光光強最大,以提高測量信號的信噪比.光學頭內集成了 CCD相機,其前端安裝有 LED輔助照明,可以方便地觀察微構件.

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

式中:λ是激光源波長;v是微構件振動速度.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(聲光調制器)引入一個固定的頻移,檢測調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據進一步處理,得到諧振頻率等參數.

4 微構件測試實驗

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

圖6是微構件在 500℃時的一組沖擊響應曲線.微懸臂梁受到沖擊后受迫振動,按照正弦規律衰減.采集的響應信號如圖6(a)所示,其中不僅包含微構件的振動信號,還有底座的響應信號、干擾信號.微懸臂梁所受阻尼小,衰減時間較長,在沖擊響應曲線的后半段,底座的響應信號、干擾信號的影響已經很小,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可知微構件諧振頻率為 4.141 k Hz.實驗結果表明:放電激勵方法可行,激勵裝置可以滿足高溫測試要求.

分別測試微構件在不同溫度下的諧振頻率,測試結果如表1所示,得到該微構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,微構件諧振頻率隨溫度升高而減小.

圖5 微構件照片Fig.5 CCD pictu re of m icrostructure

圖6 微構件沖擊響應曲線Fig.6 Impulse response ofm icrostructure

圖7 沖擊響應頻譜圖Fig.7 Frequency spectrum ofm icrostructu re

圖8 微構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 不同溫度境下微構件的諧振頻率Tab.1 Natural frequency ofm icrostructure in differen t tem perature

5 結 論

本文根據 M EMS微構件諧振頻率高、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境下 MEMS微構件動態測試系統.利用所建立的測試系統,測試了微構件在高溫環境下的諧振頻率,實驗結果表明放電激勵方法可行,該測試系統基本滿足高溫環境下 M EMS微構件的動態特性測試要求,并得到了微構件從室溫到 500℃溫度范圍內諧振頻率隨溫度變化曲線.

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