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用于高速旋轉(zhuǎn)MEMS微引擎動(dòng)態(tài)特性研究的光學(xué)測(cè)量技術(shù)進(jìn)展
2013-08-15
在一些微引擎、微型齒輪和其它MEMS裝置中，偏離平面的運(yùn)動(dòng)（偏擺）對(duì)它們的使用性能和可靠性有很大影響，其后果包括齒輪脫離嚙合和導(dǎo)致早期失效的非正常磨損。偏離平面的運(yùn)動(dòng)還會(huì)影響MEMS裝置的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，因?yàn)槲⑿妄X輪、甚至整個(gè)裝配組件會(huì)產(chǎn)生不希望有的震顫或沖擊載荷。
本文將描述Sandia微引擎驅(qū)動(dòng)齒輪和輸出齒輪的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)特性，表明未經(jīng)平衡的微型齒輪在繞其軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)時(shí)，其偏離平面的傾斜位移是如何實(shí)現(xiàn)可視化的，以及這些傾斜位移量是如何測(cè)定的。
特別需要指出，將實(shí)驗(yàn)中的測(cè)量結(jié)果與通過(guò)分析制造公差而確定的預(yù)估偏離位移量進(jìn)行了比較。按照目前的制造水平，在微型齒輪系統(tǒng)中，制造公差約為500nm。根據(jù)微引擎的幾何尺寸，可以確定驅(qū)動(dòng)齒輪和輸出齒輪的最大傾斜偏擺量分別約為1100nm和500nm。雖然MEMS裝置相當(dāng)小，但與可見(jiàn)光的波長(zhǎng)相比仍然很大，因此，采用光學(xué)干涉法來(lái)測(cè)量、試驗(yàn)和表征微齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)是完全可行的。
實(shí)驗(yàn)方法
微齒輪的位移作為微引擎工作狀態(tài)的函數(shù)，對(duì)它的測(cè)量是采用WPI開(kāi)發(fā)的光電激光干涉顯微鏡（OELIM）測(cè)量技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
為了研究旋轉(zhuǎn)中的MEMS裝置的動(dòng)態(tài)特性，開(kāi)發(fā)了一整套測(cè)量方法，該方法可實(shí)現(xiàn)量化的、實(shí)時(shí)的全視場(chǎng)成像，具有分析確定各物理量（如微齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)偏離平面的傾斜量）的能力。
在OELIM測(cè)量方法中，將一束準(zhǔn)直激光引入系統(tǒng)，直接進(jìn)入由1個(gè)顯微物鏡和1個(gè)針孔濾波器組成的空間濾波器（SF）。得到的擴(kuò)展光場(chǎng)經(jīng)鏡頭L1準(zhǔn)直后，由導(dǎo)向光束分光鏡（DBS）轉(zhuǎn)向，然后通過(guò)長(zhǎng)距顯微物鏡（MO）照明被測(cè)物體。近程光束分光器（PBS）放置于物體之上，并相對(duì)于物體傾斜一個(gè)小角度。這樣，從觀(guān)察點(diǎn)可以看到兩個(gè)光強(qiáng)分布區(qū)：一個(gè)是由物體反射的光，另一個(gè)是從PBS底面反射的光。反射光通過(guò)MO、DBS和一系列鏡片光路傳回CCD相機(jī)。
在本研究所用的OELIM裝置中，采用了平面波前，這樣當(dāng)PBS引入光路中，即可得到相互平行的干涉條紋，利用由CCD獲取并經(jīng)計(jì)算機(jī)處理的單幅圖像，不僅能對(duì)微引擎和微齒輪的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行有價(jià)值的定性評(píng)定，而且還能根據(jù)光相位提供對(duì)偏擺位移的定量測(cè)量。此外，激光源采用了選通激光。
在本研究所用的微引擎機(jī)構(gòu)中，微引擎由兩個(gè)相互正交的靜電驅(qū)動(dòng)電梳致動(dòng)器提供動(dòng)力，致動(dòng)器通過(guò)驅(qū)動(dòng)臂連桿機(jī)械連接到一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的輸出微齒輪上，該微齒輪能為一個(gè)加載裝置提供扭矩。靜電致動(dòng)器則由一個(gè)外部信號(hào)源驅(qū)動(dòng)。關(guān)于微引擎工作特性的更為詳細(xì)的闡述，包括其設(shè)計(jì)和制造方面的內(nèi)容，可以在其它文獻(xiàn)中查找到。
對(duì)于本文討論的檢測(cè)試驗(yàn)，驅(qū)動(dòng)齒輪回轉(zhuǎn)360°（即一整圈）需要分4步完成，每一步轉(zhuǎn)動(dòng)約90°，由驅(qū)動(dòng)裝置發(fā)出的方波信號(hào)來(lái)控制。輸入信號(hào)的頻率可調(diào)，可使驅(qū)動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)速在0～250000r/min之間變化。
驅(qū)動(dòng)齒輪的位移測(cè)量在分4步回轉(zhuǎn)時(shí)每一步測(cè)量一次；輸出齒輪的位移測(cè)量也在每回轉(zhuǎn)90°增量時(shí)進(jìn)行一次，即驅(qū)動(dòng)齒輪每轉(zhuǎn)動(dòng)一整圈測(cè)量一次。
結(jié)果與討論
為了確定微引擎的偏擺位移，我們首先必須通過(guò)干涉圖像計(jì)算出光相位。為了確定光相位，采用的方法是利用在微齒輪4個(gè)被測(cè)位置上每一位置獲得的單幅干涉圖。
一旦確定了連續(xù)的光相位，就可以利用光相位與光波長(zhǎng)的關(guān)系，計(jì)算出位移d。
在驅(qū)動(dòng)齒輪兩個(gè)角位置的干涉圖像中，干涉條紋數(shù)目的變化以及它們的方位清楚地表明，在驅(qū)動(dòng)齒輪的回轉(zhuǎn)周期中，當(dāng)角度位置發(fā)生變化時(shí)，微齒輪與其所在平面發(fā)生了傾斜。干涉條紋方位和頻率的變化生動(dòng)而清楚地表明了微齒輪運(yùn)動(dòng)的變化特點(diǎn)。輸出齒輪與驅(qū)動(dòng)齒輪的齒輪比為4∶1，當(dāng)驅(qū)動(dòng)齒輪從位置1起每回轉(zhuǎn)一圈，就對(duì)輸出齒輪進(jìn)行一次測(cè)量。
本文將描述Sandia微引擎驅(qū)動(dòng)齒輪和輸出齒輪的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)特性，表明未經(jīng)平衡的微型齒輪在繞其軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)時(shí)，其偏離平面的傾斜位移是如何實(shí)現(xiàn)可視化的，以及這些傾斜位移量是如何測(cè)定的。
特別需要指出，將實(shí)驗(yàn)中的測(cè)量結(jié)果與通過(guò)分析制造公差而確定的預(yù)估偏離位移量進(jìn)行了比較。按照目前的制造水平，在微型齒輪系統(tǒng)中，制造公差約為500nm。根據(jù)微引擎的幾何尺寸，可以確定驅(qū)動(dòng)齒輪和輸出齒輪的最大傾斜偏擺量分別約為1100nm和500nm。雖然MEMS裝置相當(dāng)小，但與可見(jiàn)光的波長(zhǎng)相比仍然很大，因此，采用光學(xué)干涉法來(lái)測(cè)量、試驗(yàn)和表征微齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)是完全可行的。
實(shí)驗(yàn)方法
微齒輪的位移作為微引擎工作狀態(tài)的函數(shù)，對(duì)它的測(cè)量是采用WPI開(kāi)發(fā)的光電激光干涉顯微鏡（OELIM）測(cè)量技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
為了研究旋轉(zhuǎn)中的MEMS裝置的動(dòng)態(tài)特性，開(kāi)發(fā)了一整套測(cè)量方法，該方法可實(shí)現(xiàn)量化的、實(shí)時(shí)的全視場(chǎng)成像，具有分析確定各物理量（如微齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)偏離平面的傾斜量）的能力。
在OELIM測(cè)量方法中，將一束準(zhǔn)直激光引入系統(tǒng)，直接進(jìn)入由1個(gè)顯微物鏡和1個(gè)針孔濾波器組成的空間濾波器（SF）。得到的擴(kuò)展光場(chǎng)經(jīng)鏡頭L1準(zhǔn)直后，由導(dǎo)向光束分光鏡（DBS）轉(zhuǎn)向，然后通過(guò)長(zhǎng)距顯微物鏡（MO）照明被測(cè)物體。近程光束分光器（PBS）放置于物體之上，并相對(duì)于物體傾斜一個(gè)小角度。這樣，從觀(guān)察點(diǎn)可以看到兩個(gè)光強(qiáng)分布區(qū)：一個(gè)是由物體反射的光，另一個(gè)是從PBS底面反射的光。反射光通過(guò)MO、DBS和一系列鏡片光路傳回CCD相機(jī)。
在本研究所用的OELIM裝置中，采用了平面波前，這樣當(dāng)PBS引入光路中，即可得到相互平行的干涉條紋，利用由CCD獲取并經(jīng)計(jì)算機(jī)處理的單幅圖像，不僅能對(duì)微引擎和微齒輪的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行有價(jià)值的定性評(píng)定，而且還能根據(jù)光相位提供對(duì)偏擺位移的定量測(cè)量。此外，激光源采用了選通激光。
在本研究所用的微引擎機(jī)構(gòu)中，微引擎由兩個(gè)相互正交的靜電驅(qū)動(dòng)電梳致動(dòng)器提供動(dòng)力，致動(dòng)器通過(guò)驅(qū)動(dòng)臂連桿機(jī)械連接到一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的輸出微齒輪上，該微齒輪能為一個(gè)加載裝置提供扭矩。靜電致動(dòng)器則由一個(gè)外部信號(hào)源驅(qū)動(dòng)。關(guān)于微引擎工作特性的更為詳細(xì)的闡述，包括其設(shè)計(jì)和制造方面的內(nèi)容，可以在其它文獻(xiàn)中查找到。
對(duì)于本文討論的檢測(cè)試驗(yàn)，驅(qū)動(dòng)齒輪回轉(zhuǎn)360°（即一整圈）需要分4步完成，每一步轉(zhuǎn)動(dòng)約90°，由驅(qū)動(dòng)裝置發(fā)出的方波信號(hào)來(lái)控制。輸入信號(hào)的頻率可調(diào)，可使驅(qū)動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)速在0～250000r/min之間變化。
驅(qū)動(dòng)齒輪的位移測(cè)量在分4步回轉(zhuǎn)時(shí)每一步測(cè)量一次；輸出齒輪的位移測(cè)量也在每回轉(zhuǎn)90°增量時(shí)進(jìn)行一次，即驅(qū)動(dòng)齒輪每轉(zhuǎn)動(dòng)一整圈測(cè)量一次。
結(jié)果與討論
為了確定微引擎的偏擺位移，我們首先必須通過(guò)干涉圖像計(jì)算出光相位。為了確定光相位，采用的方法是利用在微齒輪4個(gè)被測(cè)位置上每一位置獲得的單幅干涉圖。
一旦確定了連續(xù)的光相位，就可以利用光相位與光波長(zhǎng)的關(guān)系，計(jì)算出位移d。
在驅(qū)動(dòng)齒輪兩個(gè)角位置的干涉圖像中，干涉條紋數(shù)目的變化以及它們的方位清楚地表明，在驅(qū)動(dòng)齒輪的回轉(zhuǎn)周期中，當(dāng)角度位置發(fā)生變化時(shí)，微齒輪與其所在平面發(fā)生了傾斜。干涉條紋方位和頻率的變化生動(dòng)而清楚地表明了微齒輪運(yùn)動(dòng)的變化特點(diǎn)。輸出齒輪與驅(qū)動(dòng)齒輪的齒輪比為4∶1，當(dāng)驅(qū)動(dòng)齒輪從位置1起每回轉(zhuǎn)一圈，就對(duì)輸出齒輪進(jìn)行一次測(cè)量。
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