摘 要: M EMS 技术的发展离不开相应的测试技术与装置, 建立了一种简单的M EMS 微结构动态特性的测试装置, 以压电陶瓷为核心的基座激励装置实现对微结构的冲击, 以微器件自身的输出作为被测信号. 结合MEMS 工艺中批量制作的特点,在同一测试装置的同一次测试中安装两种不同尺寸的被测微压电悬臂梁试件, 采集两个梁的冲击响应信号及它们的联合输出信号, 通过FFT 频谱分析, 比较三种情况下的频谱分析结果并提取出梁的固有频率, 采用对比测试的方法获得压电微悬臂梁的谐振频率. 试验结果与理论分析一致, 该方法具有测试装置简单、实用性强等特点.
关键词: M EMS 测试技术; MEMS 动态特性; MEMS 微结构
MEMS 动态测试对MEMS 器件的使用及产业化方面都有着很重要的意义[ 1] . MEMS 器件由于其尺寸小, 其结构尺寸通常是Lm 到mm, 目前常规的动态测试方法已经很难满足要求; 而MEMS 常用的硅材料弹性模量大的特点, 因此其固有频率较高( 几十kHz 到数百kHz) , 这就要求相应的激励装置与信号采集装置必须有比其高的带宽, 这也对目前常规的动态测试装置提出了新的挑战. 而目前常用的动态测试方法与测试装置普遍存在着设备成本高、测试方法繁琐等特点, 制约了其发展[ 2-3] .
本文建立了一种简单的动态测试装置, 以压电陶瓷作为激励源, 采用基座激励的方式实现对安装在基座上的微结构的冲击激励, 以压电微悬臂梁自身的输出作为被测信号. 一次在基座上安装两种不同结构尺寸的微结构, 通过三次不同的引线连接方式, 分别测试两种结构的冲击响应输出及两种结构的联合冲击响应输出, 通过FFT 分析比较三次不同的测试结果, 通过比对测试频谱分析结果, 确定微结构的固有频率. 该方法具有测试装置简单、通用性强、成本低的特点.
1 冲击测试实验装置
目前常用的微结构动态测试技术中的激励方式常采用扫频激励, 但微结构的尺寸小、材料弹性模量大, 因此其固有频率均较高, 这就需要扫频激励装置有比其更高的频率范围. 压电陶瓷作为一种新型的激励源, 具有频率高、结构小的特点, 正在被越来越多的应用与微结构的动态测试中. 但压电陶瓷是容性负载器件, 当其工作在高频状态时, 其对驱动电源的要求很高----高频、高压及大电流, 而相应的压电陶瓷驱动电源的问题尚没有很好的解决, 这就限制了压电陶瓷作为扫频激励源的应用.
冲击激励作为另外一种动态激励方式也被广泛应用[ 4] , 而压电陶瓷具有很快的响应, 因此将其作为冲击激励源应用在微结构动态测试领域, 也是一种较为理想的方案. 由动态测试理论可知, 如果对微结构冲击作用的时间足够短, 微结构实际上是受到作用力P 的冲量的作用----冲击脉冲的作用. 通过频谱分析可以看出, 一个冲击脉冲包括了从零到无限大的所有频率的能量, 并且它的频谱是连续的----但是, 只有在与微结构的固有频率相同时, 相应的频率分量才对此微结构起作用, 它将激励微结构以其自身的低阶固有频率作自由振动.
为了完成微悬臂梁的冲击实验, 设计了动态特性测试实验系统, 装置框图如图1 所示. 由工业计算机控制多功能数据采集卡开启开关电路, 进而控制直流电源对压电陶瓷快速充电, 压电陶瓷受到瞬时高电压的驱动产生冲击力. 压电悬臂梁固定在压电陶瓷上, 压电悬臂梁在瞬时冲击力的作用下开始振动, 此时在悬臂梁的压电层产生电荷. 由于压电悬臂梁电荷量的产生与其自身的弯曲变形挠度相关, 因此电荷量信号可以表示当前微压电悬臂梁的变形程度, 基于BIST ( Build-In Self-Test , 内置自测试) 技术, 可以将微悬臂压电梁的电荷量输出作为测试中的动态被测信号[ 5] . 由于实验中使用的压电悬臂梁主要是用于微力测量, 其输出电荷量只有几十皮库大小, 因此需要利用电荷放大器将电荷量信号转换为范围0-100 mV 之间的电压信号. 电荷放大器的最高工作频率为100 kHz, 灵敏度为1 mV/ pC. 多功能卡采集压电悬臂梁振动过程中的电压输出信号,对所获的压电悬臂梁的冲击响应信号进行FFT 频谱分析处理后, 分析其频谱图即可得出压电悬臂梁的动态特性[ 6] .
2 冲击装置的响应特性
快速响应是压电陶瓷驱动器的特点, 在施加电压和电流上升速度足够快的条件下, 其可在约为谐振频率周期1/ 3 的时间内到达相应的位移, 即:
带入压电陶瓷的固有频率f 0= 12 kHz, 计算可得压电陶瓷的响应时间约为28 Ls.
图2 所示的压电陶瓷响应特性测试装置中, 半导体激光器1 发出的激光束照射在反射镜5 上, 压电陶瓷4 的微运动使反射镜5 偏转, 反射光束也随之发生转动, 从而使照射在硅光二极管2、3 上的入射光强发生变化, 一个增强、一个减弱, 检测2、3 差值即可得出压电陶瓷位移的变化. 压电陶瓷很小的运动能够引起光束照射到硅光二极管位置的较大的变化.
图3 为所测得的压电陶瓷的位移-响应曲线. 从图中可以看出, 当给压电陶瓷施加了冲击电压后, 压电陶瓷产生瞬态最大位移的时间只需要数十us, 这与式( 1) 计算结果较为接近. 说明采用压电陶瓷作为冲击激励源时, 其冲击作用时间足够短, 因此其输出可以看成为一个冲击脉冲的作用, 可以较好的满足动态测试中对冲击激励的要求.
3 压电悬臂梁冲击对比实验
图4 为我们采用的压电微悬臂梁, 采用MEMS工艺制作[ 7-8] . 首先接1# 梁的输出至电荷放大器,在冲击激励下采集1# 梁的冲击响应信号. 在恒温恒湿的洁净室内进行165 V 的电压冲击实验, 并且在同样的条件下, 重复进行10 次, 实验结果显示冲击实验有较好的重复性. 图3 为压电悬臂梁受到冲击后典型的冲击响应曲线.
图6( a) 是对上述冲击响应信号进行FFT 分析后得到的频谱图. 从图中可以看出, 1# 梁的冲击响应谱中主要有三个峰值: 0. 5 kHz、8. 5 kHz、4 7. 775kHz.
为了确定第二个压电悬臂梁( 2# ) 的固有频率,我们又将图2 中1# 梁与2# 梁的输出电极接在一起, 使两个输出信号叠加. 在相同条件下, 又进行了多次冲击实验. 1# 2# 梁整体冲击响应频谱如图6( b) 所示. 从图中可以看出, 0. 5 kHz、8. 5 kHz、47. 775 kHz的峰值仍然存在, 并且多出一个新的峰值: 53. 3 KHz. 由于整个实验过程中条件保持不变,只是将2# 梁的输出信号引入实验过程. 因此, 新出现的53. 3 KHz 峰值只能是2# 梁引入的.
为了验证我们的结论, 断开1# 梁的输出, 仅对2# 梁的冲击实验. 冲击实验的频谱分析如图6( c)所示. 从图中可以看出47. 775 kHz 的峰值已经不再存在, 由此可以判定47. 775 kHz 为1# 梁的谐振频率. 根据有限元分析结果, 也可以确定1# 梁的谐振频率是47. 775 kHz.
图7 所示为1# 梁进行了10 次测试后的结果分布, 从图中可以看出其结果分布很平整, 测试结果均集中在47. 775 kHz 附近, 没有很大的波动, 说明了该测试方法具有很好的稳定性.
4 结 论
本文建立了一种简单的动态测试装置, 以压电陶瓷作为激励源, 采用基座激励的方式实现对安装在基座上的微结构的冲击激励, 以压电微悬臂梁自身的输出作为被测信号. 一次在基座上安装两种不同结构尺寸的微结构, 通过三次不同的引线连接方式, 分别测试两种结构的冲击响应输出及两种结构的联合冲击响应输出, 通过FFT 分析比较三次不同的测试结果, 通过比对测试频谱分析结果, 确定微结构的固有频率. 建立了压电陶瓷冲击特性测试装置,从理论上和实验上验证了压电陶瓷作为冲击激励的可行性. 该动态测试方法具有测试装置简单、通用性强、成本低的特点.
参考文献:
[ 1 ] Lin, RM and Wan g W J. St ructural Dynamics of Micr os ystems-Cur rent S t at e of Research and Futu re Direct ions[ J] . M echaNIcalSyst ems and S ignal Processing, 2006, 20 ( 5 ) : 1015-1043.
[ 2] 王涛, 王晓东, 王立鼎, 刘冲. MEMS 中微结构动态测试技术进展[ J ] . 中国机械工程, 2005, 16( 1) : 83-88.
[ 3] Chris ti an Rembe, Rish i Kant, an d Richard S . Mul ler. Opti calM easuremen t Methods t o Study Dynam ic Behavior in MEMS[ C] / / Proceedin gs of SPIE - T he Int ernat ional S ociet y for Optical Engineerin g, 2001, 4400: 127- 137.
[ 4] Zhao H , Yang Z G, an d Lou H J . Ex perim ent al Study of theImPACt of Piez oelect ric Ceramics Excit at ion on the Performanceof a Gas Combust or[ J ] . Journal of Engin eering f or T hermalEnergy and Pow er, 2005, 20( 1) : 22-26.
[ 5] Xiong X G, Wu Yu L, an d Jone W B. A Dua-l M od e Built- InS elf- Test Technique f or Capacit ive MEMS Devices[ J] . IEEET ransact ions on In st rument at ion and Meas urem ent , 2005, 54( 4) : 1739-1750.
[ 6] Ozdoganl ar O B, H an sche B D an d Carn e T G. Exp eriment alM odal Analys is f or Micr oelect romechanical Sys t ems [ J ] . Experimental Mechanics , 2003, 45( 6) : 26-38.
[ 7] 刘梦伟, 佟建华, 崔天宏, 董维杰, 崔岩, 王兢, 王立鼎. 基于压电PZT 薄膜的集成式微悬臂梁结构设计与制作[ J ] . 中国机械工程, 2005, 16: 467-468.
[ 8] Liu M W, T ong J H , Wang L D and Cui T H . T heoret ical Analysis of th e Sen sing and Actuat ing E ff ect s of Piezoel ect ricM ult imorph Cant ilevers [ J ] . Micr os yst em T ech nologies ,2006, 12: 335-342.
