用于高速旋转MEMS微引擎动态特性研究的光学测量技术进展

简介

在一些微引擎、微型齿轮和其它MEMS装置中，偏离平面的运动（偏摆）对它们的使用性能和可靠性有很大影响，其后果包括齿轮脱离啮合和导致早期失效的非正常磨损。偏离平面的运动还会影响MEMS装置的动态响应，因为微型齿轮、甚至整个装配组件会产生不希望有的震颤或冲击载荷。

本文将描述Sandia微引擎驱动齿轮和输出齿轮的回转运动特性，表明未经平衡的微型齿轮在绕其轴线旋转时，其偏离平面的倾斜位移是如何实现可视化的，以及这些倾斜位移量是如何测定的。

特别需要指出，将实验中的测量结果与通过分析制造公差而确定的预估偏离位移量进行了比较。按照目前的制造水平，在微型齿轮系统中，制造公差约为500nm。根据微引擎的几何尺寸，可以确定驱动齿轮和输出齿轮的最大倾斜偏摆量分别约为1100nm和500nm。虽然MEMS装置相当小，但与可见光的波长相比仍然很大，因此，采用光学干涉法来测量、试验和表征微齿轮传动系统是完全可行的。

实验方法

微齿轮的位移作为微引擎工作状态的函数，对它的测量是采用WPI开发的光电激光干涉显微镜（OELIM）测量技术来实现的。

为了研究旋转中的MEMS装置的动态特性，开发了一整套测量方法，该方法可实现量化的、实时的全视场成像，具有分析确定各物理量（如微齿轮旋转时偏离平面的倾斜量）的能力。

在OELIM测量方法中，将一束准直激光引入系统，直接进入由1个显微物镜和1个针孔滤波器组成的空间滤波器（SF）。得到的扩展光场经镜头L1准直后，由导向光束分光镜（DBS）转向，然后通过长距显微物镜（MO）照明被测物体。近程光束分光器（PBS）放置于物体之上，并相对于物体倾斜一个小角度。这样，从观察点可以看到两个光强分布区：一个是由物体反射的光，另一个是从PBS底面反射的光。反射光通过MO、DBS和一系列镜片光路传回CCD相机。

在本研究所用的OELIM装置中，采用了平面波前，这样当PBS引入光路中，即可得到相互平行的干涉条纹，利用由CCD获取并经计算机处理的单幅图像，不仅能对微引擎和微齿轮的运动进行有价值的定性评定，而且还能根据光相位提供对偏摆位移的定量测量。此外，激光源采用了选通激光。

在本研究所用的微引擎机构中，微引擎由两个相互正交的静电驱动电梳致动器提供动力，致动器通过驱动臂连杆机械连接到一个转动的输出微齿轮上，该微齿轮能为一个加载装置提供扭矩。静电致动器则由一个外部信号源驱动。关于微引擎工作特性的更为详细的阐述，包括其设计和制造方面的内容，可以在其它文献中查找到。

对于本文讨论的检测试验，驱动齿轮回转360°（即一整圈）需要分4步完成，每一步转动约90°，由驱动装置发出的方波信号来控制。输入信号的频率可调，可使驱动齿轮的转速在0～250000r/min之间变化。

驱动齿轮的位移测量在分4步回转时每一步测量一次；输出齿轮的位移测量也在每回转90°增量时进行一次，即驱动齿轮每转动一整圈测量一次。

结果与讨论

为了确定微引擎的偏摆位移，我们首先必须通过干涉图像计算出光相位。为了确定光相位，采用的方法是利用在微齿轮4个被测位置上每一位置获得的单幅干涉图。

一旦确定了连续的光相位，就可以利用光相位与光波长的关系，计算出位移d。

在驱动齿轮两个角位置的干涉图像中，干涉条纹数目的变化以及它们的方位清楚地表明，在驱动齿轮的回转周期中，当角度位置发生变化时，微齿轮与其所在平面发生了倾斜。干涉条纹方位和频率的变化生动而清楚地表明了微齿轮运动的变化特点。输出齿轮与驱动齿轮的齿轮比为4∶1，当驱动齿轮从位置1起每回转一圈，就对输出齿轮进行一次测量。

当输入方波进行实验时，可以观察到微齿轮在每次旋转通过某一确定角度位置时，并不总是回归到同一倾斜值，测得的差值为530nm。这一差异主要取决于驱动信号的张弛时间，即增量加载之间的时间。对于方波输入，信号的突跳性对于销子连接和齿轮恢复（即减小倾斜）来说，时间已足够了。

令人感兴趣的是，驱动齿轮倾斜幅值的上限约为1030nm，这与对驱动齿轮横截面的几何尺寸（在考虑尺寸公差的情况下）进行分析计算得到的极限幅值相吻合。

对输出齿轮的研究表明，其倾斜幅值变动性较小，且与输入无关。然而在方波输入的情况下，观察到倾斜方向的方位在0°～360°之间变化。

结论

我们已经开发了OELIM测量技术，采用该方法我们能够测量偏摆位移，测量精度约为10nm，该位移是微引擎在回转周期中位置的函数。根据微引擎的几何精度状况，我们预期驱动齿轮的倾斜位移约为1000nm，实际上也达到了。驱动齿轮向下倾斜的方向基本上也与预期一样。向下倾斜的方向在旋转角度上有所变化，根据经验，认为是震动造成的。

微引擎回转时偏离平面的振摆可以利用OELIM方法测得，它是输入驱动信号的函数。目前的制造公差约为0.5μm，允许微齿轮与其外壳之间有足够的空间。由于微齿轮采用电梳驱动，当微齿轮相对于外壳回转时，就会产生偏离平面的倾斜，倾斜量取决于所采用的驱动信号。

我们观察到，微齿轮的偏摆也与微齿轮的角度位置有关。这可能与在微齿轮回转周期中销子施加在驱动齿轮上的力有关。说得详细一点，所观察到的微引擎偏摆在相同的工作条件下并不一致，这或许与制造公差有关，或许与现有设计中致动器的夹紧问题有关。

本研究采用了4步方波输入来驱动微引擎。在4步输入过程中，驱动齿轮偏离平面的倾斜幅值的变化范围为：驱动齿轮0～±462nm；输出齿轮0～±514nm。

OELIM测量技术的进一步发展，将为回转速度高达每分钟100万转的MEMS微引擎提供测量、试验和表征手段。(end)