用于高速旋轉MEMS微引擎動態特性研究的光學測量技術進展

簡介

在一些微引擎、微型齒輪和其它MEMS裝置中，偏離平面的運動（偏擺）對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致早期失效的非正常磨損。偏離平面的運動還會影響MEMS裝置的動態響應，因為微型齒輪、甚至整個裝配組件會產生不希望有的震顫或沖擊載荷。

本文將描述Sandia微引擎驅動齒輪和輸出齒輪的回轉運動特性，表明未經平衡的微型齒輪在繞其軸線旋轉時，其偏離平面的傾斜位移是如何實現可視化的，以及這些傾斜位移量是如何測定的。

特別需要指出，將實驗中的測量結果與通過分析制造公差而確定的預估偏離位移量進行了比較。按照目前的制造水平，在微型齒輪系統中，制造公差約為500nm。根據微引擎的幾何尺寸，可以確定驅動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裝置相當小，但與可見光的波長相比仍然很大，因此，采用光學干涉法來測量、試驗和表征微齒輪傳動系統是完全可行的。

實驗方法

微齒輪的位移作為微引擎工作狀態的函數，對它的測量是采用WPI開發的光電激光干涉顯微鏡（OELIM）測量技術來實現的。

為了研究旋轉中的MEMS裝置的動態特性，開發了一整套測量方法，該方法可實現量化的、實時的全視場成像，具有分析確定各物理量（如微齒輪旋轉時偏離平面的傾斜量）的能力。

在OELIM測量方法中，將一束準直激光引入系統，直接進入由1個顯微物鏡和1個針孔濾波器組成的空間濾波器（SF）。得到的擴展光場經鏡頭L1準直后，由導向光束分光鏡（DBS）轉向，然后通過長距顯微物鏡（MO）照明被測物體。近程光束分光器（PBS）放置于物體之上，并相對于物體傾斜一個小角度。這樣，從觀察點可以看到兩個光強分布區：一個是由物體反射的光，另一個是從PBS底面反射的光。反射光通過MO、DBS和一系列鏡片光路傳回CCD相機。

在本研究所用的OELIM裝置中，采用了平面波前，這樣當PBS引入光路中，即可得到相互平行的干涉條紋，利用由CCD獲取并經計算機處理的單幅圖像，不僅能對微引擎和微齒輪的運動進行有價值的定性評定，而且還能根據光相位提供對偏擺位移的定量測量。此外，激光源采用了選通激光。

在本研究所用的微引擎機構中，微引擎由兩個相互正交的靜電驅動電梳致動器提供動力，致動器通過驅動臂連桿機械連接到一個轉動的輸出微齒輪上，該微齒輪能為一個加載裝置提供扭矩。靜電致動器則由一個外部信號源驅動。關于微引擎工作特性的更為詳細的闡述，包括其設計和制造方面的內容，可以在其它文獻中查找到。

對于本文討論的檢測試驗，驅動齒輪回轉360°（即一整圈）需要分4步完成，每一步轉動約90°，由驅動裝置發出的方波信號來控制。輸入信號的頻率可調，可使驅動齒輪的轉速在0～250000r/min之間變化。

驅動齒輪的位移測量在分4步回轉時每一步測量一次；輸出齒輪的位移測量也在每回轉90°增量時進行一次，即驅動齒輪每轉動一整圈測量一次。

結果與討論

為了確定微引擎的偏擺位移，我們首先必須通過干涉圖像計算出光相位。為了確定光相位，采用的方法是利用在微齒輪4個被測位置上每一位置獲得的單幅干涉圖。

一旦確定了連續的光相位，就可以利用光相位與光波長的關系，計算出位移d。

在驅動齒輪兩個角位置的干涉圖像中，干涉條紋數目的變化以及它們的方位清楚地表明，在驅動齒輪的回轉周期中，當角度位置發生變化時，微齒輪與其所在平面發生了傾斜。干涉條紋方位和頻率的變化生動而清楚地表明了微齒輪運動的變化特點。輸出齒輪與驅動齒輪的齒輪比為4∶1，當驅動齒輪從位置1起每回轉一圈，就對輸出齒輪進行一次測量。

當輸入方波進行實驗時，可以觀察到微齒輪在每次旋轉通過某一確定角度位置時，并不總是回歸到同一傾斜值，測得的差值為530nm。這一差異主要取決于驅動信號的張弛時間，即增量加載之間的時間。對于方波輸入，信號的突跳性對于銷子連接和齒輪恢復（即減小傾斜）來說，時間已足夠了。

令人感興趣的是，驅動齒輪傾斜幅值的上限約為1030nm，這與對驅動齒輪橫截面的幾何尺寸（在考慮尺寸公差的情況下）進行分析計算得到的極限幅值相吻合。

對輸出齒輪的研究表明，其傾斜幅值變動性較小，且與輸入無關。然而在方波輸入的情況下，觀察到傾斜方向的方位在0°～360°之間變化。

結論

我們已經開發了OELIM測量技術，采用該方法我們能夠測量偏擺位移，測量精度約為10nm，該位移是微引擎在回轉周期中位置的函數。根據微引擎的幾何精度狀況，我們預期驅動齒輪的傾斜位移約為1000nm，實際上也達到了。驅動齒輪向下傾斜的方向基本上也與預期一樣。向下傾斜的方向在旋轉角度上有所變化，根據經驗，認為是震動造成的。

微引擎回轉時偏離平面的振擺可以利用OELIM方法測得，它是輸入驅動信號的函數。目前的制造公差約為0.5μm，允許微齒輪與其外殼之間有足夠的空間。由于微齒輪采用電梳驅動，當微齒輪相對于外殼回轉時，就會產生偏離平面的傾斜，傾斜量取決于所采用的驅動信號。

我們觀察到，微齒輪的偏擺也與微齒輪的角度位置有關。這可能與在微齒輪回轉周期中銷子施加在驅動齒輪上的力有關。說得詳細一點，所觀察到的微引擎偏擺在相同的工作條件下并不一致，這或許與制造公差有關，或許與現有設計中致動器的夾緊問題有關。

本研究采用了4步方波輸入來驅動微引擎。在4步輸入過程中，驅動齒輪偏離平面的傾斜幅值的變化范圍為：驅動齒輪0～±462nm；輸出齒輪0～±514nm。

OELIM測量技術的進一步發展，將為回轉速度高達每分鐘100萬轉的MEMS微引擎提供測量、試驗和表征手段。(end)