MEMS執(zhí)行機(jī)構(gòu)在微小力傳感器量值溯源中的應(yīng)用*

徐 立，鄭培亮，李 闖，黃振宇，李 倩

(1.廣東省現(xiàn)代幾何與力學(xué)計(jì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510405；2.廣東省計(jì)量科學(xué)研究院，廣東 廣州 510405)

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應(yīng)用技術(shù)

MEMS執(zhí)行機(jī)構(gòu)在微小力傳感器量值溯源中的應(yīng)用*

徐 立1,2，鄭培亮1,2，李 闖1，黃振宇1,2，李 倩1

(1.廣東省現(xiàn)代幾何與力學(xué)計(jì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510405；2.廣東省計(jì)量科學(xué)研究院，廣東 廣州 510405)

對(duì)一種基于微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)執(zhí)行器結(jié)構(gòu)的非接觸式三維微小力裝置測(cè)量原理、裝置結(jié)構(gòu)、標(biāo)定方法、力學(xué)特性及使用方法等進(jìn)行分析。結(jié)果表明:該裝置可產(chǎn)生空間任意方向微小力，實(shí)現(xiàn)空間非豎直方向微小力傳感器量值溯源；利用該裝置對(duì)微小力傳感器進(jìn)行量值溯源時(shí)，能大幅減小極板間距離測(cè)量與控制不確定度對(duì)輸出微小力影響，裝置無需配備復(fù)雜昂貴的位移控制與測(cè)量輔助裝置便可達(dá)較高精度。對(duì)簡(jiǎn)化微小力傳感器量值溯源裝置結(jié)構(gòu)具有較大實(shí)際意義。

微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)執(zhí)行器； 微小力； 傳感器； 量值溯源

0 引 言

隨著現(xiàn)代科技發(fā)展，微小力學(xué)量應(yīng)用日益廣泛。微小力在微納米量級(jí)加工技術(shù)、微小力傳感器技術(shù)、生物力學(xué)量測(cè)量、液體表面張力研究、微觀摩擦現(xiàn)象觀測(cè)及微型衛(wèi)星、微型間諜飛行器姿態(tài)調(diào)整與定位等諸多領(lǐng)域具有重要作用。但對(duì)mN量級(jí)以下微小力，其可溯源測(cè)量技術(shù)目前仍處于研究階段[1,2]。微小力傳感器量值溯源仍直接溯源到質(zhì)量，由于砝碼本身質(zhì)量制約，達(dá)到mg量級(jí)時(shí)，質(zhì)量本身存在很大不確定度，且采用該方法還涉及重力加速度測(cè)量這一難題，采用砝碼進(jìn)行微小力量值溯源的適應(yīng)性受到很大限制[3～6]。此外，微小砝碼僅能產(chǎn)生豎直方向微小力，力是一個(gè)矢量，所需標(biāo)準(zhǔn)力為非豎直方向時(shí)，采用該方法將無法對(duì)其他方向微小力傳感器進(jìn)行量值溯源。

微電子機(jī)械系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system,MEMS)中，執(zhí)行器是一種應(yīng)用普遍的功能性部件[7,8]。MEMS器件中執(zhí)行器產(chǎn)生的力均為微小力，根據(jù)MEMS執(zhí)行器結(jié)構(gòu)原理能獲得微小力源，滿足微小力傳感器量值溯源需要[9,10]。

本文基于MEMS執(zhí)行器結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)一種非接觸式三維微小力裝置，利用該裝置可產(chǎn)生空間任意方向微小力，實(shí)現(xiàn)空間非豎直方向微小力傳感器量值溯源；且無需配備復(fù)雜昂貴的位移控制與測(cè)量輔助裝置；能極大減少電容極板間距不確定度對(duì)輸出結(jié)果影響，對(duì)簡(jiǎn)化微小力傳感器量值溯源裝置設(shè)計(jì)、降低裝置成本、提高裝置精度等都具有重要理論價(jià)值和實(shí)用意義。

1 基于MEMS執(zhí)行器結(jié)構(gòu)的非接觸式三維微小力發(fā)生裝置

1.1 裝置結(jié)構(gòu)

圖1是一種在MEMS執(zhí)行機(jī)構(gòu)中普遍使用的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)一端固定(固定端)，另一端能在某一自由度上活動(dòng)(活動(dòng)端)，通過在叉指狀結(jié)構(gòu)兩端施加電壓，利用兩叉指結(jié)構(gòu)間靜電力來驅(qū)動(dòng)叉指活動(dòng)端運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)MEMS裝置各種功能。本文所研究裝置即利用在兩叉指間產(chǎn)生微小驅(qū)動(dòng)靜電力原理，設(shè)計(jì)一種非接觸式三維微小力發(fā)生裝置，利用微小靜電力作為標(biāo)準(zhǔn)力源，并實(shí)現(xiàn)對(duì)空間任意方向施加微小力。本文所研究叉指如圖1(b)所示[11]。

圖1 叉指狀結(jié)構(gòu)圖Fig 1 Interdigited structure image

裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 三維微小力發(fā)生裝置結(jié)構(gòu)圖Fig 2 Structure of 3D micro-force generator device

先根據(jù)輸出微小力范圍確定叉指電容間距離與位置以及施加在叉指電容兩端電壓；然后通過旋轉(zhuǎn)平臺(tái)配合方向調(diào)節(jié)桿調(diào)節(jié)微小力在空間中方位，方位調(diào)節(jié)好后便通過相應(yīng)固定螺栓將方位固定，同時(shí)通過x,y,z方向調(diào)節(jié)裝置精確調(diào)節(jié)兩叉指電容器間距離與位置，使其達(dá)到所需距離和位置；最后控制加載電壓大小以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出微小力控制。

1.2 裝置測(cè)量原理

根據(jù)Johnson W A等人[12]對(duì)MEMS執(zhí)行器中叉指狀結(jié)構(gòu)間所受靜電力理論分析，叉指結(jié)構(gòu)兩端施加電壓U時(shí)，叉指間靜電力為

(1)

式中 N為叉指?jìng)€(gè)數(shù)，g為相鄰叉指間距，x0為叉指重疊長(zhǎng)度，g和x0定義如圖3所示。

圖3 叉指結(jié)構(gòu)參數(shù)圖[13]Fig 3 Parameters of interdigited structure

根據(jù)式(1)，確定相鄰叉指間距g及叉指交叉長(zhǎng)度x0，則通過改變兩叉指電容間加載電壓U便可控制輸出微小力值。同時(shí)，根據(jù)文獻(xiàn)[13]分析，叉指尺寸參數(shù)滿足一定條件時(shí)，叉指交叉長(zhǎng)度x0變化對(duì)輸出微小力影響極小，可認(rèn)為g確定，則輸出微小力便不隨位置(x0)變化而改變。

2 三維微小力發(fā)生裝置量值溯源

由于各國(guó)目前并未建立微小力量值溯源體系，微小力裝置無法像中小力值或大力值設(shè)備一樣進(jìn)行量值溯源。在微小力研究中，目前各國(guó)研究人員普遍采用的量值溯源方式是將微小力溯源至微小質(zhì)量，本文也采用該方式對(duì)裝置進(jìn)行標(biāo)定，如圖4。

圖4 三維微小力發(fā)生裝置標(biāo)定原理圖Fig 4 Calibration principle diagram of 3-dimensional micro-force generator device

圖4中，叉指電容一部分固定在高精度電子天平上，另一部分部分連同位置調(diào)節(jié)裝置固定在一臺(tái)架上。調(diào)節(jié)x,y,z方向位置調(diào)節(jié)器，使叉指間距達(dá)到設(shè)定值，然后鎖緊固定，保持叉指間位置不變，記錄下此時(shí)高精度電子天平讀數(shù)(m1)。對(duì)裝置施加電壓，將在叉指間產(chǎn)生微小力值，同時(shí)記錄下此時(shí)電子天平讀數(shù)(m2)，通過計(jì)算電子天平兩次讀數(shù)之差，便可求出裝置在加載電壓下產(chǎn)生的微小力。改變施加電壓，記錄下電子天平對(duì)應(yīng)讀數(shù)，將結(jié)果進(jìn)行擬合，得到施加電壓與產(chǎn)生微小力間函數(shù)關(guān)系,如圖5。

圖5 加載電壓與輸出微小力值之間的關(guān)系Fig 5 Relationship between output micro-force value and voltage applied

圖5為叉指重疊距離為5 mm時(shí)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)標(biāo)定得到施加電壓與輸出微小力間函數(shù)關(guān)系。通過二次曲線擬合可得擬合關(guān)系式為

F=9.201 6×10-5U2-0.009 5 U+4.888 7

(2)

關(guān)聯(lián)系數(shù)R2=0.999 6，輸出微小力與加載電壓平方成正比，該結(jié)果同時(shí)證明理論式(1)的正確。

由圖5中標(biāo)定曲線得到式(2)，便可根據(jù)加載在微小力發(fā)生裝置兩端電壓計(jì)算出所產(chǎn)生微小力。

3 三維微小力發(fā)生裝置實(shí)驗(yàn)與測(cè)量

本文所研究新型裝置除了能在空間產(chǎn)生任意方向微小力值外，其最大優(yōu)勢(shì)還在于叉指重疊長(zhǎng)度變化對(duì)輸出微小力影響很小，因此,該裝置無需附加高精度位置控制裝置與距離測(cè)量裝置，便可以達(dá)到較高微小力輸出精度。

圖6為叉指重疊長(zhǎng)度變化時(shí)，輸出微小力與加載電壓間關(guān)系。圖中線狀圖為叉指交叉距離分別為4,5,6 mm時(shí)，依據(jù)式(1)所得理論值；點(diǎn)狀圖為叉指交叉距離分別為4,5,6 mm時(shí)通過實(shí)驗(yàn)標(biāo)定所得輸出微小力。由圖可知，理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值吻合較好。當(dāng)叉指距離變化時(shí)，三條理論計(jì)算曲線幾乎重合；同時(shí)，叉指交叉距離變化時(shí)，在相同加載電壓下，不同交叉距離時(shí)實(shí)驗(yàn)輸出微小力也幾乎重合。

圖6 叉指重疊長(zhǎng)度變化時(shí)加載電壓與輸出微小力之間的關(guān)系Fig 6 Relationship between output micro-force and voltage applied by changing interdigited structure overlapping length

設(shè)x0=5 mm為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，當(dāng)叉指重疊長(zhǎng)度由x0=4 mm變?yōu)閤0=6 mm時(shí)，由圖可知輸出微小力幾乎保持不變。在圖示實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下，裝置輸出微小力僅與加載電壓有關(guān)，叉指重疊長(zhǎng)度變化對(duì)微小力輸出結(jié)果影響較小。即叉指間重疊長(zhǎng)度測(cè)量不確定度較大或叉指間位置控制裝置精度較低，仍能保證輸出微小力準(zhǔn)確，使本文三維微小力發(fā)生器無需復(fù)雜位置控制附件和距離測(cè)量?jī)x器便能實(shí)現(xiàn)較高精度三維微小力輸出，對(duì)于簡(jiǎn)化裝置結(jié)構(gòu)，降低裝置成本等都具有重要意義。

4 三維微小力發(fā)生裝置使用

若微小力傳感器在設(shè)備中位置如圖7所示。使用本文裝置對(duì)其進(jìn)行量值溯源時(shí)無需將微小力傳感器由裝置卸下便可進(jìn)行。先將三維微小力發(fā)生裝置一端固定在待檢儀器上，然后通過方向調(diào)節(jié)桿調(diào)節(jié)好所需微小力方向，并根據(jù)所需標(biāo)準(zhǔn)微小力值，通過xyz三個(gè)方向位置調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)兩叉指之間位置，將叉指間位置調(diào)節(jié)到可輸出該力值范圍內(nèi)。再根據(jù)擬合曲線，確定加載電壓，則可以輸出相應(yīng)方向標(biāo)準(zhǔn)微小力。

圖7 裝置工作示意圖Fig 7 Principle of device working

5 結(jié)束語

本文基于MEMS執(zhí)行器中叉指電容結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)一種空間三維微小力發(fā)生裝置，搭建裝置標(biāo)定平臺(tái)。結(jié)果表明:本裝置能夠產(chǎn)生空間任意方向微小力；加載電壓與裝置輸出微小力具有良好擬合關(guān)系；且裝置叉指間距變化時(shí)，輸出微小力幾乎不變，極大減小了距離測(cè)量與位置控制中不確定度對(duì)輸出微小力影響，對(duì)簡(jiǎn)化微小力量值溯源裝置設(shè)計(jì)具有實(shí)際意義。

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徐 立(1983-),湖南長(zhǎng)沙人，博士，主要從事MEMS技術(shù)、力學(xué)計(jì)量測(cè)試研究。

Application of MEMS actuator mechanism in micro-force sensor traceability*

XU Li1,2,ZHENG Pei-liang1,2,LI Chuang1,HUANG Zhen-yu1,2,LI Qian1

(1.Guangdong Provincial Key Laboratory of Modern Geometric and Mechanical Metrology Technology,Guangzhou 510405,China;2.Guangdong Provincial Institute of Metrology,Guangzhou 510405,China)

Application of micro-force sensor is widespread in the new industries and frontier technology.The micro force traceable measurement technology has seriously lagged behind the development of its application.Measuring principle,device configuration,calibration method,mechanical properties and usage of method of non-contact 3D micro-force device based on micro-electro-mechanical system(MEMS)actuator structure are analyzed.Results show that the device can generate micro-force in any direction,and be satisfied with demand for micro-force sensor traceability with non-vertical orientation is realized.The impact of distance measurement and control uncertainty on output micro-force can be significantly reduced by the device.The device can achieve high precision without complex and expensive auxiliary equipment.It has great practical meaning to simplify device structure in micro-force sensor traceability

micro-electro-mechanical system(MEMS) actuator;micro-force;sensor;traceability

10.13873/J.1000—9787(2016)11—0148—03

2015—12—01

國(guó)家質(zhì)檢總局科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013QK259)； 廣東省公益研究與能力建設(shè)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(2014A040401044)

TH 71

A

1000—9787(2016)11—0148—03