吳翠紅, 于 博, 趙 晶, 劉效含, 吳欣宇
(1.長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,吉林長(zhǎng)春130012;2.長(zhǎng)春工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,吉林長(zhǎng)春130012)
微機(jī)電系統(tǒng)(micro electro-mechanical system, MEMS)微摩擦測(cè)試技術(shù)已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。MEMS的微電子技術(shù)已經(jīng)滲透到機(jī)械、光學(xué)等多個(gè)傳統(tǒng)領(lǐng)域,也產(chǎn)生了許多新問(wèn)題。MEMS不是傳統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)幾何尺寸的微型化,而是基于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù),并作為整個(gè)納米科學(xué)技術(shù)重要組成部分和一種嶄新思維方法下的產(chǎn)物[1~7]。它在尺度、構(gòu)造、材料、制造方法和工作原理等方面都與傳統(tǒng)機(jī)械不同,MEMS涉及到微電子學(xué)、微尺度力學(xué)、材料科學(xué)以及表面物理與化學(xué)等領(lǐng)域。由于構(gòu)件尺寸減小,表面積與體積之比相應(yīng)增加,因而表面效應(yīng)增強(qiáng),這樣作為主要的表面作用力的摩擦力就成為影響微型機(jī)械運(yùn)動(dòng)和功能的重要因素。與此同時(shí),對(duì)微摩擦行為起主要作用的微構(gòu)件材料及其表面品質(zhì)與宏觀構(gòu)件也不相同。
與傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)相比,MEMS中的微摩擦問(wèn)題顯得特別突出,這是因?yàn)槌叽缧?yīng)使得構(gòu)件上的作用力隨著其尺寸減小發(fā)生急劇變化。這樣,正比于面積的作用力如摩擦力、粘性力等與正比于體積的作用力如慣性力、電磁力等相比增大了數(shù)千倍而成為微機(jī)械的主要作用力。表面上摩擦阻力的影響增大不僅制約微器件的運(yùn)動(dòng)性能,而且也加劇了表面損傷。因此,在MEMS中,各運(yùn)動(dòng)界面上的摩擦阻力相對(duì)其它的力的作用增大,而MEMS本身裝載的可供使用的能量又很小,這就要求在微型機(jī)械設(shè)計(jì)中盡可能地降低摩擦損耗,甚至實(shí)現(xiàn)零摩擦。MEMS的發(fā)展迫切需要明確微小摩擦的機(jī)理,因此微小摩擦的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[8~11]。
本文提出了一種基于光反射法的微摩擦測(cè)試原理,光電探測(cè)系統(tǒng)如圖1所示,主要包含:2套光源(激光器1、激光器2,均選用可見光半導(dǎo)體激光器:GaAlAs Laser,670 nm,3 mW);2套探測(cè)器(CCD1、CCD2,均選用SONY公司的ILX526A線陣CCD);2套壓力傳感器(硅傳感器1、硅傳感器2,均選用德國(guó)PI公司生產(chǎn)的PZT P840.20壓電陶瓷,其主要技術(shù)指標(biāo)為:驅(qū)動(dòng)電壓VDC為0~300 V;最大位移為100 μm)和探針等。
圖1 光電探測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖Fig.1 Schematic diagram of photoelectric detection system
激光器1、CCD1、硅傳感器1用于測(cè)量正壓力數(shù)據(jù);激光器2、CCD2、硅傳感器2用于測(cè)量微摩擦力數(shù)據(jù)。激光以任意姿態(tài)聚焦硅傳感器表面,CCD接收反射激光并成像,當(dāng)硅傳感器受力偏轉(zhuǎn)時(shí),激光反射角變化,CCD光斑成像隨之改變,應(yīng)用CCD解析光斑成像位置,通過(guò)受力前后CCD成像變化得出受力作用的偏轉(zhuǎn)角度,通過(guò)標(biāo)定可計(jì)算正壓力及微摩擦力的具體數(shù)值。CCD1、CCD2的光斑成像如圖2所示。圖2中峰值為CCD實(shí)際光斑位置像素值。
圖2 CCD光斑成像簡(jiǎn)圖Fig.2 Schematic diagram of CCD spot imaging
測(cè)試系統(tǒng)的光路分析如圖3所示,CCD水平放置,初始時(shí)硅片也水平放置,激光器入射光線為AO,反射光線為OD,入射角為α。受力后硅片發(fā)生偏轉(zhuǎn),偏轉(zhuǎn)角為δ,反射光線為OE,入射角為β,前后法線分別為OB、OC。
圖3 測(cè)試光路簡(jiǎn)圖Fig.3 Schematic diagram of test light path
由圖3可得出:
β=α+δ
(1)
兩反射光線夾角:
∠DOE=2β-2α=2δ
(2)
進(jìn)而得出,CCD上先后兩光斑間的距離為:
Δl=h·tan(α+2δ)-h·tanα
(3)
由式(3)可知,假定h及α為已知,當(dāng)測(cè)出CCD上兩光斑間的距離Δl后,可解析得出硅片受力后的偏轉(zhuǎn)角δ,進(jìn)而通過(guò)標(biāo)定可計(jì)算出實(shí)際所受力大小。
設(shè)計(jì)研發(fā)的MEMS微摩擦測(cè)試樣機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)如圖4所示。
圖4 MEMS微摩擦測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.4 Schematic diagram of the structure of the MEMS micro-friction test system
該系統(tǒng)由光電探測(cè)系統(tǒng)、2套PI工作臺(tái)(水平、垂直)、底座、支架、探針等組成。兩套探測(cè)器(CCD1、CCD2)分別安裝于開有一道狹縫的金屬盒內(nèi),以便激光可完全在CCD上進(jìn)行成像。
激光器1發(fā)出的激光經(jīng)準(zhǔn)直及透鏡聚焦,照射在正壓力測(cè)量硅傳感器的橫梁的中部,反射光線經(jīng)過(guò)狹縫照射在CCD1的光敏面上,當(dāng)探針受到正壓力時(shí),正壓力經(jīng)摩擦力測(cè)量硅傳感器傳到正壓力測(cè)量硅傳感器的橫梁上,使橫梁發(fā)生偏轉(zhuǎn),使照射在CCD1上的光斑的位置相應(yīng)地也發(fā)生變化,光斑的移動(dòng)量與所受的正壓力成正比。
激光器2發(fā)出的激光經(jīng)準(zhǔn)直及透鏡聚焦,照射在摩擦力測(cè)量硅傳感器的測(cè)表面上,反射光線經(jīng)過(guò)狹縫照射在CCD2的光敏面上。當(dāng)探針在被測(cè)試樣的表面上移動(dòng)時(shí),摩擦力測(cè)量硅傳感器受到摩擦力的作用也將發(fā)生偏轉(zhuǎn),使照射在CCD2的光敏面上的光斑的位置也要發(fā)生變化,光斑的移動(dòng)量與所受的微摩擦力成正比。
MEMS微摩擦測(cè)試樣機(jī)的工作過(guò)程如下:首先,將被測(cè)樣品固定在水平調(diào)整工作臺(tái)上,采用手動(dòng)調(diào)整、反饋調(diào)整、軟件補(bǔ)償相結(jié)合的辦法實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的水平調(diào)整,保證被測(cè)樣件水平放置; 然后,移動(dòng)法向進(jìn)給工作臺(tái),使探針抵到被測(cè)樣件的表面,再使豎向進(jìn)給工作臺(tái)緩慢移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)正壓力的加載,由CCD1可讀出所施加載荷的大小,達(dá)到預(yù)定大小的載荷后,豎向進(jìn)給工作臺(tái)停止移動(dòng);接著使橫向進(jìn)給工作臺(tái)勻速移動(dòng),探針與樣件間實(shí)現(xiàn)了相對(duì)滑動(dòng),這樣由CCD1可讀出正壓力,由CCD2可讀出切向力(微摩擦力),通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件處理可以獲得法向載荷與橫向摩擦力之間的關(guān)系曲線。
在進(jìn)行實(shí)際的微摩擦測(cè)試前,一個(gè)關(guān)鍵的步驟是進(jìn)行微力傳感器的標(biāo)定,因?yàn)楫?dāng)正壓力及微摩擦力傳感器受到力作用時(shí),硅傳感器會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的彎曲及偏轉(zhuǎn),照射在CCD表面上光斑的位置會(huì)發(fā)生相應(yīng)的移動(dòng),通過(guò)USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以讀出光斑中心所對(duì)應(yīng)的CCD像素的位置值,經(jīng)計(jì)算可求得受力后光斑所偏移的像素值,該偏移值與所受到的力的大小有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系,通過(guò)標(biāo)定找出傳感器受力與CCD表面光斑偏移值之間的關(guān)系曲線,實(shí)際進(jìn)行微摩擦測(cè)試時(shí),只要讀出了CCD表面的光斑偏移值即可計(jì)算出受力的大小。
在傳感器標(biāo)定過(guò)程中,應(yīng)遵循從小到大原則,以固定增量對(duì)硅傳感器進(jìn)行作用,連續(xù)解析CCD光斑偏移,可得作用力與光斑偏移間關(guān)系曲線,通過(guò)插值運(yùn)算,可計(jì)算實(shí)際測(cè)試每一次光斑偏移對(duì)應(yīng)的作用力大小。本MEMS微摩擦測(cè)試樣機(jī)采用物理天平法來(lái)輔助完成計(jì)量標(biāo)定[12~16]。
正壓力標(biāo)定示意如圖5所示。
圖5 正壓力標(biāo)定示意圖Fig.5 Schematic diagram of positive pressure calibration
標(biāo)定前,應(yīng)準(zhǔn)確記載CCD1初值,天平橫梁放于支架上并調(diào)整水平,將一端抵于探針尖部,另一端懸掛砝碼(此處選用不銹鋼圓形標(biāo)準(zhǔn)毫克組、克組砝碼),讀取CCD1光斑像素值,而后,持續(xù)增加砝碼,讀取CCD1對(duì)應(yīng)的光斑像素值,計(jì)算CCD1輸出值與初值的偏移,整理完的正壓力標(biāo)定數(shù)據(jù)如表1所示(由于篇幅有限,僅列出部分?jǐn)?shù)據(jù))。
表1 正壓力標(biāo)定數(shù)據(jù)表Tab.1 Positive pressure calibration data sheet
正壓力標(biāo)定示意如圖6所示。
圖6 摩擦力標(biāo)定示意圖Fig.6 Schematic diagram of friction calibration
標(biāo)定前,應(yīng)準(zhǔn)確記載CCD2初值,天平橫梁放于支架上并調(diào)整水平,將上端抵于探針尖部側(cè)面,另一端懸掛砝碼,讀取CCD2光斑像素值,而后,持續(xù)增加砝碼,讀取CCD2對(duì)應(yīng)的光斑像素值,計(jì)算CCD2輸出值與初值的偏移,整理完的正壓力標(biāo)定數(shù)據(jù)如表2所示。
表2 摩擦力標(biāo)定數(shù)據(jù)表Tab.2 Friction force calibration data table
應(yīng)用輔助工具繪制CCD光斑偏移與作用力關(guān)系曲線,假設(shè)CCD光斑偏移為自變量x,作用力為因變量y,輸入上述數(shù)據(jù)分別繪制正壓力p、摩擦力標(biāo)定曲線如圖7、圖8所示。
圖7 正壓力標(biāo)定曲線Fig.7 Positive pressure calibration curve
圖8 摩擦力標(biāo)定曲線Fig.8 The friction calibration curve
應(yīng)用最小二乘原理可解析擬合曲線y=ax+b,對(duì)應(yīng)參數(shù)a1=0.468 07,b1=-7.049 86;a2=2.678 74,b2=-10.984 14。實(shí)際測(cè)量時(shí),將CCD光斑偏移代入公式即可解算正壓力和摩擦力具體數(shù)值。
應(yīng)用MEMS微摩擦測(cè)試樣機(jī)對(duì)Cu-Si、Al-Si表面進(jìn)行微摩擦測(cè)試,測(cè)試探針針尖為硅片制成,分別對(duì)Cu-Si、Al-Si表面進(jìn)行了10組實(shí)驗(yàn),得到正壓力p、摩擦力測(cè)試曲線如圖9所示。
圖9 Cu-Si、Al-Si表面微摩擦測(cè)試曲線Fig.9 Cu-Si, Al-Si surface micro-friction test curve
經(jīng)整理計(jì)算得出微摩擦系數(shù)μ如表3所示。
表3 微摩擦系數(shù)μTab.3 Coefficient of micro friction (μ)
由此可以得出:1) Cu-Si表面摩擦系數(shù)μ大于Al-Si表面,Al-Si表面更光滑;2) Cu-Si表面、Al-Si表面摩擦系數(shù)μ隨載荷增大而減?。?)μ隨載荷增大而減小,其說(shuō)明伴隨外部載荷減小,Cu-Si、Al-Si表面力所占權(quán)重增大,從而導(dǎo)致μ增大。
提出了一種以光反射為基礎(chǔ)的微摩擦測(cè)試技術(shù),設(shè)計(jì)研發(fā)了MEMS微摩擦測(cè)試樣機(jī),具有以下特點(diǎn):
(1) 以硅片為傳感器元件,其測(cè)試精度、測(cè)試靈敏度均較高,可實(shí)時(shí)測(cè)試μN(yùn)級(jí)的作用力。
(2) 測(cè)試系統(tǒng)無(wú)漂移,具有較強(qiáng)的魯棒性,可同時(shí)完成正壓力、摩擦力的測(cè)試。
(3) 應(yīng)用物理天平法進(jìn)行測(cè)試系統(tǒng)計(jì)量標(biāo)定,保證了其測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確有效。
(4) 通過(guò)標(biāo)定受力與CCD上光斑的偏移值之間的關(guān)系,實(shí)現(xiàn)了對(duì)微摩擦力的精確測(cè)量,進(jìn)而得出該設(shè)計(jì)滿足實(shí)際微摩擦測(cè)試需要,為微觀條件下微構(gòu)件表面摩擦學(xué)性能研究提供了新思路。