高温环境下 M EM S微构件动态特性测试技术研究❋

李晓轲,王晓东,2,佘东生,张 涛,王立鼎,2

(1.辽宁省微纳米技术及系统重点实验室,辽宁大连 116024;

2.大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室,辽宁大连 116024）

0 引 言

微机电系统 (M EMS)以其低成本、低功耗、微型化、集成化等优势,在电子、汽车、军事、航天等领域的应用逐渐广泛和深入.随着 MEMS逐渐产业化,对测试系统特别是对动态测试系统的需求越来越迫切[1],MEM S动态测试技术近年来得到了国内外许多研究机构的高度重视[2].MEM S的动态特性可以反映材料属性及机械力学参数、MEMS可靠性与器件失效模式、失效机理等,是 MEM S设计、制造及产业化中的重要环节.

由于微机械部件运动幅度小、振动频率高、需要非接触无损测量等特点,传统的动态测试方法难以满足要求.光学测试具有非接触测量、测试精度高、响应快等优点,在 MEM S动态测试中得到广泛应用,如频闪显微干涉技术、计算机微视觉技术、激光多普勒测振技术等.

为了满足航空航天、石油化工、冶金等高温恶劣工况条件下的物理量测试需求,高温 MEMS器件的应用越来越广泛,如高温压力传感器[3]等.而 M EM S器件在不同的环境(主要是不同的压力和温度)下的性能和响应特性是不同的[4-5].研究 MEMS器件在不同温度下的响应和性能变化规律,可以拓宽其应用领域,优化设计,提高可靠性.

文献 [5]介绍了一种基于压电陶瓷的多载荷加载台,能在 150℃以下测试微构件.文献 [6]建立了一种高温环境下 MEMS微构件动态特性测试系统,利用基于压电陶瓷的测试装置测试了微构件在室温～300℃环境下的谐振频率.压电底座激励是一种常用的激励方法,但是压电陶瓷工作温度较低(最高在 80℃左右),在更高温度下应用存在较大难度.本文研究了高温环境下微构件动态测试技术,分析了放电激励原理,建立了高温环境下 MEMS微构件动态特性测试系统,在室温～500℃温度范围内测试了微构件的谐振频率.

1 测试系统的构成

图1所示为建立的高温环境下 MEMS微构件动态特性测试系统总体组成框图,主要包括激励装置、计算机监控单元、激光多普勒测振单元、温度控制单元等.

图2为测试装置实物照片,其中:1为 LED;2为光学头;3为五维微动台;4为激励装置;5为电容;6为电源;7为直流高压电源;8为可控硅控制电路;9为温控器;10为单相移相触发器;11为激光干涉仪.

高温环境下 MEM S动态测试需要解决的主要问题有:高温环境下微构件的激励、微构件温度的控制、振动响应信号的测量和分析,其中激励和信号测量分析是动态测试的关键.激励装置利用尖端放电产生的激波为激励源,实现了高温环境下对微构件的激励.振动信号由激光多普勒测振仪测量,测量数据由计算机进行频谱分析,得到微构件谐振频率.计算机控制单元和温度控制单元组成了微构件温度控制系统,包括工控机、数据采集卡、温度控制软件和温度传感器、温控器等.温控器通过温度传感器检测微构件温度,接收计算机的调温指令,构成闭环控制系统,通过温度控制软件控制微构件温度,并监测激励装置温度.

图2 测试装置Fig.2 Testing devices

2 激励的实现

2.1 放电激励原理

与宏观机械结构一样,M EM S动态测试系统包括激励、测振和模态分析三个基本环节[7].M EM S微构件尺寸小、谐振频率高,传统的激励技术无法直接应用在 MEMS动态测试中.激励是实现动态测试的基本环节,微构件的激励一般应采用非接触方式,且要求具有较宽的激励频带[8].目前主要的激励方法有外部场能激励方式、内部集成激励元件方式和底座激励[9]方式.底座激励是一种间接激励方式,激励信号施加在底座上,使底座在一个特定的方向上发生变形或产生平移,达到激励固定在其上的微器件的目的.

目前,关于高温环境下 MEMS微构件动态测试技术方面的研究,国内刚起步,如何在高温环境下激励微构件是一个值得探讨的问题.外部场能激励方式和内部集成激励方式常对微构件及其制作工艺有特殊要求,如常需在微构件上制备压电层等,难以在高温环境下应用.而底座激励结构简单、通用性强,可以用于高温环境下微构件的激励.Yuan Fang Chou等[10]在常态下对微构件进行模态测试的时候,提出了放电底座激励方法,这种激励方式的激励频带可以达到 1 M Hz.本文研究了放电激励原理,并将放电底座激励方式扩展应用于高温环境下微构件的激励.

当两个带相反极性电荷的电极距离小到一定程度的时候,在曲率最大处会发生尖端放电现象.本文基于尖端放电原理,设计了激励装置,实现了对微构件的激励.激励装置的核心是一对电极,电极一个采用针式,另一个采用平面板式.在外加电压作用下,针-板电极间形成的是不均匀电场,针电极尖端处曲率最大,电场强度也最大.在外加电压作用下,尖端处发生电晕放电、刷状放电,最终形成电弧放电.电弧放电产生很大的瞬时电流,电弧温度可达几千度.尖端附近的空气被电弧急剧加热、膨胀,压缩周围空气,发出尖锐的爆鸣声,产生激波.激波对底座产生瞬间冲击作用,微构件受迫振动,达到激励微构件的目的.

放电激励电路原理图如图3所示.放电电源由直流高压电源和电容组成.在数千伏高压作用下,空气间隙在极短时间内被击穿,发生电弧放电.放电后,电容电压不足以在同样的间隙发生二次放电,这样就保证了激励能量输入的单一性.

图3 放电激励电路原理图Fig.3 Schematic of discharge circuit

2.2 激励装置结构功能

激励装置是整个动态测试系统中的关键组成部分,传统动态测试中的激励装置无法直接应用于高温环境下微构件的测试.基于放电底座激励原理,并综合考虑微构件的安装和热传导等因素,设计了微构件激励装置,图4是激励装置原理示意图.为了满足微构件高温加热要求,选用了体积小、表面功率密度达到 31W/cm2的筒式电阻加热器作为加热元件,加热器通过加热板对微构件加热.微构件通过铝制的安装板安装在十字载台上,以方便拆卸.微构件安装板、十字载台、陶瓷绝缘片和板电极使用高温结构胶粘接,构成了激励装置底座.为了减少测试时的干扰信号,提高测量信号的信噪比,底座的质量应尽量小,且部件间连接要牢固、可靠.

为了以后进一步研究激励能量对激励效果的影响,设计了以直进式千分尺为核心的进给机构调节电极间隙.在电容能量不变的情况下,电极间隙可通过进给机构进行调整,这样就能改变激励能量,达到在不同能量下激励微构件的目的.

实验中最高温度达到 500℃,而激光多普勒测振仪光学头的环境使用温度不能超过 40℃,为了减小高温环境对其的影响并减少热量散失,将激励装置安装在腔体中.腔体上面板安装光学玻璃,激光多普勒测振仪安装在外部对处于高温环境中的微构件进行测试.另外,为减小加热板对其它部件的影响,装置中还加装了隔热材料及陶瓷垫环.通过这些措施,增强了隔热效果,减少了热量散失,提高了加热效率.

图4 激励装置原理示意图Fig.4 Schematic of excitation device

3 振动信号测量

与频闪显微干涉技术、计算机微视觉技术相比较,激光多普勒测振技术更成熟,且具有线性度好、动态响应快、测量范围大等优点,能够获得速度和加速度等更多的动态参数.本文采用 Polytec公司OFV-534型激光多普勒测振仪,包括激光单元(包括激光发生器、干涉仪等)、光学头、计算机等部件.光学头的位置和倾角通过五维微动台调节,使接收到的激光光强最大,以提高测量信号的信噪比.光学头内集成了 CCD相机,其前端安装有 LED辅助照明,可以方便地观察微构件.

光学头安装在微构件振动方向上,接收反射回的测量光束.由于多普勒效应,微构件的运动使测量光束产生多普勒频移

式中:λ是激光源波长;v是微构件振动速度.对多普勒频移进行测量就能得到物体振动速度的大小.为了确定速度的方向,在干涉仪中通过 Bragg cell(声光调制器)引入一个固定的频移,检测调制后的频移就能确定振动方向.分别对速度微分、积分,得到振动加速度和位移.使用测振仪配套软件对数据进一步处理,得到谐振频率等参数.

4 微构件测试实验

利用所研制的测试装置测试了微构件的谐振频率,验证放电激励方法的可行性.采用硅基梁-质量块典型微悬臂梁结构作为待测试件,图5为 CCD相机拍摄的微构件照片.梁和质量块尺寸分别为:400μm×600μm×10μm和 400μm×800μm×10μm.

图6是微构件在 500℃时的一组冲击响应曲线.微悬臂梁受到冲击后受迫振动,按照正弦规律衰减.采集的响应信号如图6(a)所示,其中不仅包含微构件的振动信号,还有底座的响应信号、干扰信号.微悬臂梁所受阻尼小,衰减时间较长,在冲击响应曲线的后半段,底座的响应信号、干扰信号的影响已经很小,可以很清晰地看出振动信号的正弦衰减趋势,如图6(b)所示.图7是得到的频谱图,由图7可知微构件谐振频率为 4.141 k Hz.实验结果表明:放电激励方法可行,激励装置可以满足高温测试要求.

分别测试微构件在不同温度下的谐振频率,测试结果如表1所示,得到该微构件谐振频率随温度的变化曲线,如图8所示.由图8中可以看出,微构件谐振频率随温度升高而减小.

图5 微构件照片Fig.5 CCD pictu re of m icrostructure

图6 微构件冲击响应曲线Fig.6 Impulse response ofm icrostructure

图7 冲击响应频谱图Fig.7 Frequency spectrum ofm icrostructu re

图8 微构件的谐振频率随温度变化曲线Fig.8 Natural Frequency change of m icrostructu re in different temperatu re

表1 不同温度境下微构件的谐振频率Tab.1 Natural frequency ofm icrostructure in differen t tem perature

5 结 论

本文根据 M EMS微构件谐振频率高、需要非接触式无损测量的特点,基于放电底座激励方法建立了高温环境下 MEMS微构件动态测试系统.利用所建立的测试系统,测试了微构件在高温环境下的谐振频率,实验结果表明放电激励方法可行,该测试系统基本满足高温环境下 M EMS微构件的动态特性测试要求,并得到了微构件从室温到 500℃温度范围内谐振频率随温度变化曲线.

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