用于高速旋轉MEMS微引擎動態(tài)特性研究的光學測量技術進展
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(tài)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(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)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(tài)的函數(shù)，對它的測量是采用WPI開發(fā)的光電激光干涉顯微鏡（OELIM）測量技術來實現(xiàn)的。
為了研究旋轉中的MEMS裝置的動態(tài)特性，開發(fā)了一整套測量方法，該方法可實現(xiàn)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(tǒng)，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(qū)：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(fā)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(xù)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(shù)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(fā)生變化時，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。
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(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)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(tài)的函數(shù)，對它的測量是采用WPI開發(fā)的光電激光干涉顯微鏡（OELIM）測量技術來實現(xiàn)的。
為了研究旋轉中的MEMS裝置的動態(tài)特性，開發(fā)了一整套測量方法，該方法可實現(xiàn)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(tǒng)，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(qū)：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(fā)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(xù)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(shù)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(fā)生變化時，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。
