佘東生,洪以平,陳亞男,田江平

(1.渤海大學 控制科學與工程學院,遼寧錦州 121013;2.大連理工大學 能源與動力學院,遼寧大連 116023)

微機電系統(tǒng)(Micro-electro-mechanical system, MEMS)在軍事、國防、汽車、航空航天等很多領域都有了越來越廣泛的應用,研究如何控制和改善微機電系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和使用壽命已經(jīng)變得越來越重要[1-5]。微機電系統(tǒng)的這些性能指標與其內(nèi)部核心部件的機械特性和材料特性息息相關,比如固有頻率、品質(zhì)因數(shù)、模態(tài)振型、彈性模量、殘余應力、泊松比、熱膨脹系數(shù)和彈性模量溫度系數(shù)等,因此,針對上述特性參數(shù)開展測試研究具有非常重要的意義。

固有頻率是微機電系統(tǒng)中核心可動部件的關鍵參數(shù),精確地獲取核心可動微結(jié)構(gòu)的固有頻率,一方面有助于評估器件的使用性能,另一方面也可以為進一步改進器件的設計細節(jié)提供重要的依據(jù)。由于核心可動微結(jié)構(gòu)具有尺寸小、頻率高等特點,準確測試其固有頻率需要同時使用帶寬高、非接觸式的測振方法和激勵方法?；诩す舛嗥绽占夹g(shù)的測振方法具有帶寬大、光學非接觸和分辨率高等優(yōu)點,已經(jīng)被廣泛的應用在MEMS微結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性測試當中,具備很好的測振效果[6-10];目前主流的非接觸式激勵方法是基于壓電陶瓷(Piezoelectric ceramics, PZT)的底座激勵方法,該方法在微結(jié)構(gòu)的片外振動激勵中被廣泛地使用,但該方法在具體實現(xiàn)方式上仍存在一定的缺陷,亟待改進。

Burdess等[11]在所制作的微結(jié)構(gòu)動態(tài)測試系統(tǒng)當中使用了單片式壓電陶瓷圓片作為激勵裝置的核心激勵部件,他們將壓電陶瓷片粘接在一個彈性支承件的底部,將微結(jié)構(gòu)安裝在彈性支承件的頂部,形成底座激勵裝置,但這種單片式的壓電陶瓷激勵能力有限,所需的驅(qū)動電壓也很高;Wang等[12]制作了一種基于壓電陶瓷的底座激勵裝置,在該裝置中使用了疊堆壓電陶瓷進行驅(qū)動,壓電陶瓷被安裝在一個十字彈簧底座上,通過底座的隔振效應可以降低外部振動對測試結(jié)果的影響,不過這種設計方式同時也將底座結(jié)構(gòu)的振動響應耦合進測試結(jié)果當中,增加了模態(tài)參數(shù)辨識的難度;Van等[13]制作了一種可應用在液體環(huán)境下的壓電陶瓷底座激勵裝置,他們在壓電陶瓷兩端均安裝了匹配質(zhì)量塊,在兩個匹配質(zhì)量塊的配合下,可更容易調(diào)節(jié)激勵裝置的輸出特性,不過這種底座激勵裝置更適合對頻率較低的微結(jié)構(gòu)進行激勵,激振帶寬不高,同時也沒有考慮到壓電陶瓷受到橫向剪切力會被損壞的問題;佘東生等[14]制作了一種具有可動底座結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷激勵裝置,對比其他基于壓電陶瓷的底座激勵裝置,該裝置在保證有效激勵帶寬的前提下,從一定程度上解決了疊堆壓電陶瓷安裝上所存在的問題,具備較好的適用性。不過該裝置仍存在下列問題:可動底座結(jié)構(gòu)中的鋼球和上、下聯(lián)接塊之間均采用線接觸方式進行配置,這會導致鋼球無法平滑的轉(zhuǎn)動,底座結(jié)構(gòu)被卡死;十字彈簧片在工作過程中會出現(xiàn)較大的變形,導致安裝于其上的微結(jié)構(gòu)容易發(fā)生脫落。

綜上,針對現(xiàn)有的基于壓電陶瓷底座激勵裝置中所存在的缺陷,設計并制作一種可以解決疊堆壓電陶瓷安裝問題和微結(jié)構(gòu)固定問題的底座激勵裝置,搭建面向MEMS微結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性測試系統(tǒng),對激勵裝置的輸出特性進行測試實驗研究,并對多種尺寸微結(jié)構(gòu)進行激振測試,獲取微結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性參數(shù)。

1 基于壓電陶瓷的底座激勵裝置

為了解決目前基于壓電陶瓷的底座激勵裝置所存在的問題,設計了一種底座自適應式的壓電陶瓷激勵裝置,如圖1所示。

在激勵裝置中,頂板、套筒、底板和4根導向軸組成了激勵裝置的主體結(jié)構(gòu),起到安裝和支撐的作用。4根導向軸呈圓周均布分布,在套筒的配合下,起到對可動底座結(jié)構(gòu)的安裝和調(diào)節(jié)作用。可動底座結(jié)構(gòu)由下聯(lián)接塊、鋼球和上聯(lián)接塊組成。其中,下聯(lián)接塊的4個延長臂分別安裝在4根導向軸上,下聯(lián)接塊可以沿著導向軸上下移動,當移動到指定位置時,可以通過調(diào)節(jié)軸固定環(huán)上的鎖緊螺釘進行固定;上聯(lián)接塊是一個正八棱柱的塊裝結(jié)構(gòu),在上聯(lián)接塊不相鄰的4個側(cè)棱面上圓周均布地安裝了4個球頭柱塞,4個球頭柱塞頂部的鋼球分別頂入到套筒內(nèi)側(cè)壁上圓周均布的4個矩形凹槽內(nèi),在上聯(lián)接塊的另外4個側(cè)棱面上圓周均布的安裝有4個調(diào)節(jié)桿,4個調(diào)節(jié)桿分別由套筒內(nèi)側(cè)壁上圓周均布的拱門形缺口伸出至套筒外側(cè),用于調(diào)節(jié)上聯(lián)塊在套筒內(nèi)的位置;鋼球被夾持在上聯(lián)接塊底部球面凹槽和下聯(lián)接塊頂部球面凹槽之間,上聯(lián)接塊底部球面凹槽的曲率半徑和下聯(lián)接塊頂部球面凹槽的曲率半徑均大于鋼球的直徑。設計這種可動底座結(jié)構(gòu)的好處在于:當調(diào)節(jié)可動底座結(jié)構(gòu)使安裝于其頂部的壓電陶瓷進入工作位置時,由于鋼球和上聯(lián)接塊、下聯(lián)接塊之間均為點接觸,壓電陶瓷所承受的橫向剪切力會被大幅減少,避免了壓電陶瓷的損壞,并且使調(diào)節(jié)過程平滑流暢。

壓電陶瓷頂部嵌入到一個安裝蓋內(nèi),通過安裝蓋可以實現(xiàn)與彈性支承件的充分接觸。彈性支承件通過4個陶瓷墊片安裝在圓環(huán)狀的頂板上,彈性支承件上有4個圓周均布的“L”形支撐臂,微結(jié)構(gòu)通過安裝板安裝在彈性支承件頂部中心區(qū)域。這樣設計的好處在于:當壓電陶瓷在垂直方向有位移輸出時,彈性支承件的4個“L”形支撐臂隨之產(chǎn)生形變,而在彈性支承件中心用于安裝微結(jié)構(gòu)的部分則不會產(chǎn)生較大的形變,因此微結(jié)構(gòu)就不會因為膠體裂開而出現(xiàn)和彈性支承件分離的現(xiàn)象,解決了微結(jié)構(gòu)安裝可靠性的問題。

在使用激勵裝置對微結(jié)構(gòu)進行激勵時,首先沿導向軸向上滑動下聯(lián)接塊的延長臂,使可動底座結(jié)構(gòu)推動壓電陶瓷與彈性支承件相接觸,在到達指定位置后鎖緊軸固定環(huán),使用外部激勵電源對壓電陶瓷施加沖擊脈沖信號,可以實現(xiàn)對微結(jié)構(gòu)的沖擊激勵。

2 微結(jié)構(gòu)動態(tài)特性測試系統(tǒng)

所搭建的微結(jié)構(gòu)動態(tài)特性測試系統(tǒng)主要由激光干涉測振單元和壓電陶瓷激振單元組成,如圖2所示。

2.1 激光干涉測振單元

激光干涉測振單元由德國POLYTEC的OFV-3001控制器、OFV-512光學頭、研華的PCI-1712UL-AE數(shù)據(jù)采集卡和IPC-610L工業(yè)控制計算機組成。OFV-3001控制器可以實現(xiàn)1.5 MHz的測試帶寬,OFV-512光學頭的激光光斑直徑最小可達到15 μm。在對微結(jié)構(gòu)進行動態(tài)特性測試時,由OFV-512光學頭發(fā)射的激光照射到微結(jié)構(gòu)表面指定位置,將獲取到的微結(jié)構(gòu)振動響應信號送入到OFV-3001控制器中的位移解碼器中進行解碼,再經(jīng)PCI-1712UL-AE數(shù)據(jù)采集卡傳送到IPC-610L工業(yè)控制計算機當中,并由LabVIEW編寫的數(shù)據(jù)采集程序進行保存。

2.2 壓電陶瓷激振單元

壓電陶瓷激振單元主要由壓電陶瓷激振裝置和壓電陶瓷驅(qū)動電源組成。壓電陶瓷激振裝置根據(jù)前面的設計進行制作,其中,壓電陶瓷為NanoMotions的PZ 150/7×7×7型疊堆壓電陶瓷促動器,諧振頻率為152 kHz,最大輸出力為3 500 N;壓電陶瓷驅(qū)動電源是以IRF9640大功率MOSFET管為核心元件制作而成,該MOSFET管的導通時間僅為60 ns,可以實現(xiàn)對壓電陶瓷的快速充電,可在壓電陶瓷兩極間施加最大170 V的階躍電壓;在壓電陶瓷驅(qū)動電源內(nèi)還設計了放電回路,可以用來將壓電陶瓷內(nèi)的殘余電荷釋放掉,避免在下次測試時出現(xiàn)反向沖擊電壓。

3 測試實驗

3.1 激振裝置激振帶寬測試

首先對壓電陶瓷底座激勵裝置的動態(tài)輸出性能進行了測試。在測試時,將OFV-512光學頭發(fā)射的激光投射到彈性支承件頂部中心位置,再使用壓電陶瓷電源在壓電陶瓷兩極間施加170 V的階躍電壓,由激光干涉測振單元獲取激振裝置的振動響應信號,測試結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知,激振裝置的輸出響應脈沖上升時間Δt約為35 μs,最大輸出位移為0.226 μm。激振裝置的激勵帶寬BW與Δt成反比例關系,Δt越小則激振帶寬越大。如果將激振脈沖等效為一個三角脈沖的話,則激振帶寬可表示為[15]

(1)

根據(jù)式(1)可知,壓電陶瓷底座激勵裝置的激勵帶寬約為90 kHz,具備良好的激振性能。

3.2 微結(jié)構(gòu)動態(tài)特性測試

為了進一步測試激振裝置的激振性能,采用所搭建的微結(jié)構(gòu)動態(tài)特性測試系統(tǒng)對3種不同尺寸的單晶硅微懸臂梁的動態(tài)特性進行了測試。3種微懸臂梁的結(jié)構(gòu)尺寸如圖4所示,均為矩形結(jié)構(gòu),寬度均為500 μm,厚度均為10 μm,長度則各不相同,其中1#微懸臂梁長度為700 μm, 2#微懸臂梁長度為850 μm, 3#微懸臂梁長度為1 000 μm。

圖4 微結(jié)構(gòu)SEM圖

使用Ansys Workbench軟件對3種微懸臂梁的1階模態(tài)進行了仿真分析,仿真時所使用的單晶硅彈性模量參考值[16]為167 GPa,泊松比為0.278,密度為2 330 kg/m3,仿真結(jié)果如圖5所示。由圖5可知,1#微懸臂梁1階固有頻率的仿真值為28.66 kHz,2#微懸臂梁1階固有頻率的仿真值為19.39 kHz,3#微懸臂梁1階固有頻率的仿真值為13.98 kHz,均在激勵裝置的激振帶寬范圍之內(nèi),可以被有效的激勵起來。

圖5 微結(jié)構(gòu)1階模態(tài)仿真結(jié)果

分別對3種微懸臂梁的動態(tài)特性進行測試。使用壓電陶瓷驅(qū)動電源在壓電陶瓷兩極間施加170 V的階躍電壓,驅(qū)動壓電陶瓷實現(xiàn)對微懸臂梁的激勵,同時采用激光干涉測振系統(tǒng)獲取微懸臂梁自由端附近的振動響應,再將所獲取的振動響應中微結(jié)構(gòu)進入自由衰減階段的部分信號進行FFT變換,獲得3種微懸臂梁的1階固有頻率。所獲得的3種微懸臂梁時域和頻域響應信號如圖6～圖8所示。

圖6 1#微懸臂梁時頻響應

圖7 2#微懸臂梁時頻響應

圖8 3#微懸臂梁時頻響應

由圖6～圖8可知,1#微懸臂梁的1階固有頻率為27.785 kHz,2#微懸臂梁的1階固有頻率為19.012 kHz,3#微懸臂梁的1階固有頻率為13.139 kHz。微懸臂梁的1階固有頻率隨著長度的增大而減小,且每兩個微懸臂梁固有頻率的比值近似地反比于它們長度平方的比值,這與懸臂梁彎曲振動的經(jīng)典理論是相吻合的。

為了獲得微懸臂梁自由衰減振動的阻尼比,如圖9所示,首先分別截取1#微懸臂梁0.02～0.18 s的自由衰減振動響應,2#微懸臂梁0.03～0.18 s的自由衰減振動響應,以及3#微懸臂梁0.02～0.18 s的自由衰減振動響應,采用Savitzky-Golay濾波器進行平滑處理,然后對平滑處理后響應信號的峰值進行非線性擬合,得到每個微懸臂梁振幅峰值的Ring Down衰減曲線。利用該曲線并使用式(2)可獲得3種微懸臂梁的阻尼比[15]。

圖9 自由衰減振幅擬合曲線

(2)

式中:ζ為微懸臂梁自由衰減振動的阻尼比;T為微懸臂梁自由衰減振動的周期;x1和x2分別為Ring Down衰減曲線上任意兩點對應的時間值,且x1

由圖6～圖8可得1#微懸臂梁自由衰減振動的周期為36 μs, 2#微懸臂梁為52.6 μs,3#微懸臂梁為76.1 μs;3個微懸臂梁的x1值均選取為0.04 s,x2值均選取為0.06 s,y1和y2則根據(jù)各微懸臂對應的Ring Down衰減曲線分別進行取值;經(jīng)計算可得,1#微懸臂梁的阻尼比為0.002 7,2#微懸臂梁的阻尼比為0.003 5,3#微懸臂梁的阻尼比為0.003 1?？梢钥闯?種微懸臂梁的阻尼比均非常小,可以忽略不記,因此,由微懸臂梁自由衰減階段的信號進行FFT變換所獲得的有阻尼固有頻率可以被當作其無阻尼固有頻率進行分析和討論。

通過動態(tài)特性測試實驗所獲得的微懸臂梁固有頻率與仿真結(jié)果存在一定的差異,該差異一方面來源于于測試系統(tǒng)誤差和隨機誤差,另一方面來源于由微加工工藝所導致的微懸臂梁結(jié)構(gòu)尺寸和材料參數(shù)與仿真時的參考值之間的差異,比如微懸臂梁的長度、寬度、厚度、單晶硅材料的彈性模量和密度等。

4 結(jié)論

本文設計了一種底座自適應式的壓電陶瓷激勵裝置,搭建了微結(jié)構(gòu)動態(tài)特性測試系統(tǒng),通過對微結(jié)構(gòu)動態(tài)輸出特性和微結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的測試實驗,得出如下結(jié)論:

1)在激勵裝置中,采用下聯(lián)接塊、鋼球和上聯(lián)接塊組成的可動底座結(jié)構(gòu)可以解決疊堆壓電陶瓷在安裝時承受較大橫向剪切力的問題,避免了壓電陶瓷的損壞,并且使調(diào)節(jié)過程平滑流暢;

2)在激勵裝置中,彈性支承件具有4個L形支撐臂,可以使彈性支承件上安裝微結(jié)構(gòu)的區(qū)域不會出現(xiàn)較大形變,能夠解決微結(jié)構(gòu)安裝可靠性的問題;

3)激勵裝置的激勵帶寬約為90 kHz,能夠有效激勵起固有頻率位于該帶寬范圍內(nèi)的微結(jié)構(gòu),具備良好的激振能力。