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)

1 引 言

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]。

2 測(cè)試原理

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。

3 測(cè)試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

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。

4 系統(tǒng)標(biāo)定

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]。

4.1 正壓力標(biāo)定

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

4.2 摩擦力標(biāo)定

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

4.3 標(biāo)定結(jié)果

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。

5 實(shí)驗(yàn)分析

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。

6 總 結(jié)

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。