陳建麗

（廣東科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院機(jī)器人學(xué)院，廣東 珠海 519090）

將聲激勵共振法應(yīng)用在微機(jī)械材料楊氏模量測量過程中，需要將被檢測的機(jī)械材料制作成懸臂梁，采用聲激勵方式使懸臂梁產(chǎn)生共振，基于共振頻率計(jì)算出被檢測為機(jī)械材料的楊氏模量。該種檢測方式檢測原理簡單、實(shí)際操作便捷，檢測結(jié)果全面精準(zhǔn)，因此逐步取代了靜態(tài)應(yīng)變測量與靜電激勵共振測量方式，成為微機(jī)械材料楊氏模量的重要測量手段。

1 微機(jī)械材料與楊氏模量簡介

1.1 微機(jī)械材料

微機(jī)械主要就是使用半導(dǎo)體技術(shù)、蝕刻技術(shù)、平板印制技術(shù)，設(shè)計(jì)并制造出微米領(lǐng)域三維力學(xué)系統(tǒng)，以微米為尺度生產(chǎn)制作力學(xué)元件，使硅片微米傳感器及微米電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)集成化制造。

20 世紀(jì)60年代，微電子技術(shù)發(fā)展速度不斷加快，相關(guān)研究人員開始探索硅微加工方式制作傳感器、執(zhí)行器與控制裝置，切實(shí)保障此裝置運(yùn)行期間的自動化、智能化生產(chǎn)水平，有效控制微電子機(jī)械系統(tǒng)生產(chǎn)制造期間的成本量。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)成熟，微機(jī)械壓力傳感裝置、微連桿及微齒輪的微機(jī)械零部件相應(yīng)誕生，使國防工業(yè)等各部門未來的生產(chǎn)發(fā)展發(fā)生了革命性變化。

1.2 楊氏模量

楊氏模量就是用于描述固體材料抵抗形變能力的物理量，其物理意義為金屬絲單位截面積所受到的力以及金屬絲單位長度對應(yīng)的伸長量。楊氏模量又被稱之為拉伸模量，是彈性模量最常見的一種形態(tài)。在衡量楊氏模量過程中，需要關(guān)注各項(xiàng)同性彈性體剛度，借助單軸應(yīng)力及單軸形變之比，判斷物質(zhì)彈性量大小[1]。

楊氏模量概念最早于19 世紀(jì)初英國物理學(xué)家提出?；诤硕?，在物體彈性限度之內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變成正比，其比值就被稱之為材料的楊氏模量。楊氏模量大小可直接彰顯出材料剛度。在楊氏模量越大的情況下，材料剛度就越大，越不容易出現(xiàn)變形情況。

2 研究聲激勵共振法測量微機(jī)械材料楊氏模量的重要意義

與發(fā)達(dá)國家相比，中國微機(jī)械行業(yè)發(fā)展起步較晚，但實(shí)際發(fā)展速度較快。現(xiàn)階段微機(jī)械行業(yè)已經(jīng)利用了蝕刻硅技術(shù)生產(chǎn)出了微齒輪、微彈簧、微梁等微機(jī)械構(gòu)件[2]。通過將此些機(jī)械構(gòu)件組合在一起，形成微電子機(jī)械系統(tǒng)，促進(jìn)了微傳感器、微型機(jī)器人、微型手術(shù)裝置發(fā)展。

現(xiàn)階段微電子機(jī)械系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、國防領(lǐng)域中，為新領(lǐng)域生產(chǎn)經(jīng)營建設(shè)模式的轉(zhuǎn)變奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

在各類微機(jī)械構(gòu)件生產(chǎn)速度不斷加快的背景下，對微機(jī)械材料楊氏模量、硬度等性能的檢測工作也已成為相關(guān)領(lǐng)域的重要研究課題。

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，硅材料在氧化處理后，表面二氧化硅會出現(xiàn)明顯收縮特征，對材料界面產(chǎn)生應(yīng)力作用影響[1]。配合使用硅蝕刻技術(shù)，表面留下的二氧化硅層也會出現(xiàn)不同等級楊氏模量，因此為評估微機(jī)械構(gòu)件實(shí)際運(yùn)行期間的機(jī)械性能，還需要對構(gòu)件表面的二氧化硅進(jìn)行處理及楊氏模量測量。

現(xiàn)階段微機(jī)械材料楊氏模量測量工作主要采用靜態(tài)應(yīng)變、靜電激勵共振2 種方式。由于這2 種方式在實(shí)際應(yīng)用期間的要求及應(yīng)用期間的缺陷較為顯著，因此還需重點(diǎn)關(guān)注聲激勵共振法在微機(jī)械構(gòu)件楊氏模量檢驗(yàn)中的應(yīng)用效果。

2.1 靜態(tài)應(yīng)變法測量微機(jī)械材料的楊氏模量

靜態(tài)應(yīng)變測量方式首次被提出于20 世紀(jì)60年代中期，研究人員結(jié)合蝕刻硅構(gòu)件中的界面層特征，設(shè)計(jì)出了氣球技術(shù)與橫梁技術(shù)，這2 種技術(shù)均屬于靜態(tài)應(yīng)變測量方式。

氣球技術(shù)主要就是在拋光硅材料表面，依照規(guī)定溫度及時間使材料表面形成二氧化硅膜，要求膜厚度為0.2～2 μm。在該二氧化錳表面取3×10 mm 的窗口進(jìn)行蝕刻處理，并將處理后的材料放置在管道端部。將具有一定壓力的空氣輸入到管道內(nèi)，使二氧化硅膜產(chǎn)生氣球狀突出。通過檢測不同空氣壓力下的二氧化硅膜具體情況，計(jì)算出二氧化硅膜鼓起曲率半徑與不同空氣壓力之間的關(guān)系，計(jì)算出微機(jī)械材料的楊氏模量。

橫梁技術(shù)主要就是在1 根硅梁的一側(cè)表面生成二氧化硅膜，在二氧化硅膜界面層產(chǎn)生應(yīng)力的情況下，硅梁也會發(fā)生相應(yīng)彎曲變化，借助該彎曲的曲率半徑值，計(jì)算出微機(jī)械材料楊氏模量具體數(shù)值。硅梁應(yīng)當(dāng)為復(fù)合材料梁體結(jié)構(gòu)，長度控制在5 mm、寬度為2 mm。硅梁的硅層厚度需要設(shè)置為0.05 mm，二氧化硅層厚度則應(yīng)為0.2～2 μm。在計(jì)算得出硅材料楊氏模量后，配合使用硅梁楊氏模量計(jì)算手段，可以從根本上提升計(jì)算期間的效率與精準(zhǔn)度。

這2 種方法均可以用于檢測微機(jī)械材料楊氏模量在不同蝕刻條件下的變化情況，但在實(shí)際應(yīng)用期間仍存在較大問題。具體來說，實(shí)驗(yàn)樣品制作與實(shí)驗(yàn)裝置的運(yùn)行難度大，樣品在實(shí)驗(yàn)期間經(jīng)常會出現(xiàn)破碎后變形的情況，對實(shí)際測量結(jié)果的精準(zhǔn)性造成不利影響。

2.2 靜電激勵共振法測量微機(jī)械材料的楊氏模量

20 世紀(jì)70年代末，微機(jī)械行業(yè)專家又提出了靜電激勵共振法測量微機(jī)械材料中的楊氏模量。在檢測微機(jī)械材料懸臂時，可以對不同蝕刻方式以及不同材料形成的膜進(jìn)行楊氏模量測量，實(shí)際測量范圍擴(kuò)大。同時，微機(jī)械懸梁材料的長度可為35～120 μm，厚度可為0.1～0.9 μm，檢測期間的硬性條件要求不高。通過使用靜電勵磁手段，懸臂梁能夠產(chǎn)生共振作用，結(jié)合共振頻率計(jì)算出被檢測微機(jī)械材料楊氏模量。

相較于靜態(tài)應(yīng)變測量方式而言，利用靜電激勵共振測量方法可以減少測量樣品微小變形量的環(huán)節(jié)，在實(shí)際測量期間需要在被檢測懸臂梁上配備金屬電極，接入激勵電源[3]。金屬鍍層會使微機(jī)械懸臂梁結(jié)構(gòu)形成復(fù)合材料梁，由于金屬鍍層極薄，在實(shí)際測量期間可以基本忽視該金屬鍍層對楊氏能量測量結(jié)果造成的影響。

2.3 瞬態(tài)激勵法測量微機(jī)械材料的楊氏模量

瞬態(tài)激勵測量法也是一種動態(tài)測量法。在某一彈性物體受到瞬間撞擊的情況下，會產(chǎn)生短暫振蕩過程，此振蕩過程由最初受迫狀態(tài)而后過渡到自然狀態(tài)，最后趨于停止。

瞬態(tài)激勵碰撞裝置的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由2部分組成。一部分需要對被檢測構(gòu)件進(jìn)行瞬態(tài)碰擊激勵，使被測構(gòu)件產(chǎn)生短暫的振蕩；另一部分主要對被測物體發(fā)出的振蕩信號進(jìn)行檢測與處理，計(jì)算出物體在自由振蕩狀態(tài)下的頻率。被測物體也需要制作成懸臂梁結(jié)構(gòu)，在懸臂梁尺寸較小的情況下，可以使用碰擊基座的方式使其出現(xiàn)振蕩。懸臂梁固定在基座處，基座需要由二維微調(diào)裝置固定在防震臺上，基座質(zhì)量不會影響到懸臂梁的自然諧振頻率。

瞬態(tài)激勵裝置的動力部件為1 臺微型直流調(diào)速電動機(jī)，在輸出軸前端連接1個極細(xì)的碰針。在電動機(jī)每轉(zhuǎn)動1 周后，碰針需要對懸臂梁進(jìn)行1 次瞬態(tài)撞擊，借助二維微調(diào)裝置可以調(diào)節(jié)撞擊強(qiáng)度，從而有效控制懸臂梁的振蕩幅度及衰減時間。

通過分析懸臂梁自由振蕩階段下的信號波形圖及頻譜圖，發(fā)現(xiàn)在懸臂梁處于自由振蕩階段時，主要為單一頻率的正弦振蕩。懸臂梁處于自由振蕩下的自然諧振頻率為2 kHz。

在檢測得到懸臂梁自然諧振頻率后，可計(jì)算出該懸臂梁材料的楊氏模量值。計(jì)算公式與聲激勵測量公式一致。

2.4 聲激勵共振法測量微機(jī)械材料的楊氏模量

聲激勵共振法測量工作從原理上看也是一種動態(tài)測量手段，被檢測的機(jī)械材料樣品也需制作成懸臂梁形式。在確定懸臂梁尺寸后，測量懸臂梁彎曲簡正振動基頻，確保該頻率處于聲頻標(biāo)準(zhǔn)范圍中。

聲激勵共振方式還可以通過調(diào)節(jié)聲波的手段，與微機(jī)械材料懸臂梁產(chǎn)生共振。共振期間的最低聲波頻率就是懸臂梁彎曲簡正振動基頻，借助簡正振動基頻計(jì)算公式，計(jì)算出材料的楊氏模量。

該種楊氏模量測量手段的測量流程更為簡單、實(shí)際操作較為便捷，測量結(jié)果的全面性與精準(zhǔn)度能夠得到根本保障。

在微機(jī)械材料懸臂梁聲激勵裝置中，聲激勵裝置主要由標(biāo)準(zhǔn)音頻信號發(fā)射器、功放電路、耳機(jī)組成。將耳機(jī)發(fā)出的聲波對準(zhǔn)微機(jī)械材料懸臂梁的長寬兩側(cè)。懸臂梁材料可以將聲波及聲波振動情況轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。由于懸臂梁會借助基座被固定到防震臺面上，因此需要嚴(yán)格管控基座質(zhì)量，避免基座對微機(jī)械材料懸臂梁的簡正振動頻率值造成不利影響。

在檢測懸臂梁振蕩信號過程中，需要配合使用專業(yè)的激光設(shè)施，借助激光干涉手段獲得振蕩信號值。具體來說，借助10 倍顯微鏡裝置，將激光發(fā)出的光聚焦在微機(jī)械材料懸臂梁一側(cè)，經(jīng)過反射后的光會進(jìn)入到激光裝置的激光腔內(nèi)部。懸臂梁與激光槍之間構(gòu)成了復(fù)合腔結(jié)構(gòu)激光器，該復(fù)合激光器反射率、懸臂梁表面反射率、激光器前腔鏡反射率會受到光相位差的直接影響。

結(jié)合激光反饋干涉原理，激光裝置中的后項(xiàng)輸出光功率與前腔反射率具有正比關(guān)系，激光裝置中的后項(xiàng)輸出光功率越大，前腔反射率也會隨之增大。因此在懸臂梁振動時，振動率也會使激光器的后項(xiàng)輸出光功率發(fā)生相應(yīng)變化。變化后的光功率會借助光電接收轉(zhuǎn)換裝置放大，在示波裝置上直接展示出懸臂梁具體振動波形。

在激勵源信號選擇時，需要使用連續(xù)正弦波。借助由低向高的順序逐步調(diào)整音頻信號發(fā)生器及信號頻率，觀察微機(jī)械懸臂梁的振動情況。在懸臂梁發(fā)生振動現(xiàn)象后，通過調(diào)整頻率值可以使懸臂梁的振幅達(dá)到最大范圍，激勵信號頻率與懸臂梁彎曲簡正振動頻率相同。在采用方波作為激勵波信號時，由于受到高次諧波作用影響，使懸臂梁在某一高次諧波激勵下出現(xiàn)共振情況。通過繪制出懸臂梁在頻率為221 Hz 方波勵磁下的共振波形，發(fā)現(xiàn)懸臂梁的彎曲簡正振動頻率為1.54 kHz，高次諧波下的懸臂梁振動幅度較小。

以某微機(jī)械材料懸臂梁楊氏模量測量工作為例，該懸臂梁的聲激勵最大幅度振動波形起伏較大。經(jīng)檢測該激勵信號頻率為1.54 kHz，則懸臂梁的彎曲簡正頻率值也為1.54 kHz。

如激勵源信號為方波的情況下，受高次諧波作用影響，懸臂梁會在某高次斜波激勵下出現(xiàn)共振現(xiàn)象[2]。例如，在懸臂梁頻率為221 Hz 方波激勵下，懸臂梁的彎曲簡正振動頻率為1.54 kHz，與方波勵磁信號諧波相同。但高次諧波激勵下的懸臂梁振幅則較小。

由此可見，在使用聲激勵共振法測量微機(jī)械材料楊氏模量過程中，方波激勵信號與正弦波激勵信號的波動峰值一致，但是懸臂梁彎曲簡正振動機(jī)平的振幅卻較小，需要在實(shí)際使用聲激勵共振法過程中，結(jié)合微機(jī)械材料楊氏模量具體測量要求，選擇適宜的勵磁源信號波，切實(shí)提升聲激勵共振法在測量微機(jī)械材料楊氏模量中的實(shí)際應(yīng)用效果。

3 聲激勵共振法測量微機(jī)械材料楊氏模量實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過開展聲激勵實(shí)驗(yàn)，合理設(shè)置微機(jī)械材料懸臂梁規(guī)格。為保障實(shí)驗(yàn)結(jié)果，懸臂梁的長度為20.6 mm、寬度為1.5 mm、厚度為0.45 mm。使用聲激勵共振方式檢測出的懸臂梁彎曲簡正振動基頻值為1.54 kHz。

結(jié)合懸臂梁彎曲簡正振動基頻計(jì)算公式，計(jì)算得出該微機(jī)械材料的楊氏模量。要求在實(shí)際計(jì)算中還需要準(zhǔn)確收集懸臂梁截面積、截面繞截面軸轉(zhuǎn)動慣性距、硅材料密度的數(shù)值。代入計(jì)算所得的彎曲簡正振動基頻，發(fā)現(xiàn)該微機(jī)械材料楊氏模量測量數(shù)值與公布的微機(jī)械材料楊氏模量數(shù)值相同，說明聲激勵共振法楊氏模量過程中具有較高的精準(zhǔn)度及可操作性。

目前來看，聲激勵共振測量方式已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在微機(jī)械材料楊氏模量測量過程中，通過對不同制造工藝及處理方式下的微機(jī)械材料楊氏模量進(jìn)行全面測量，能夠有效評估其應(yīng)用期間的機(jī)械性能，確保后續(xù)生產(chǎn)出的微機(jī)械構(gòu)件能夠被有效應(yīng)用在微機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造過程中。通過將機(jī)械材料加工制作成懸臂梁形式，使用聲激勵手段使懸臂梁產(chǎn)生共振的測量方式，實(shí)際測量流程較少，測量效率較高，能夠從根本上保障測量結(jié)果的精準(zhǔn)度，為推動微機(jī)械行業(yè)發(fā)展進(jìn)程奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

4 總結(jié)

相較于其他測量方式而言，聲激勵共振法測量設(shè)施結(jié)構(gòu)較為簡單，通過將微機(jī)械材料制作成懸臂梁的方式，懸臂梁結(jié)構(gòu)起振效果好，檢測期間的精準(zhǔn)度更高，可以被廣泛使用在微機(jī)械材料楊氏模量測量過程中，進(jìn)一步加快微機(jī)械行業(yè)發(fā)展進(jìn)程。