陳建麗

（廣東科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院機(jī)器人學(xué)院，廣東 珠海 519090）

將聲激勵(lì)共振法應(yīng)用在微機(jī)械材料楊氏模量測(cè)量過(guò)程中，需要將被檢測(cè)的機(jī)械材料制作成懸臂梁，采用聲激勵(lì)方式使懸臂梁產(chǎn)生共振，基于共振頻率計(jì)算出被檢測(cè)為機(jī)械材料的楊氏模量。該種檢測(cè)方式檢測(cè)原理簡(jiǎn)單、實(shí)際操作便捷，檢測(cè)結(jié)果全面精準(zhǔn)，因此逐步取代了靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量與靜電激勵(lì)共振測(cè)量方式，成為微機(jī)械材料楊氏模量的重要測(cè)量手段。

1 微機(jī)械材料與楊氏模量簡(jiǎn)介

1.1 微機(jī)械材料

微機(jī)械主要就是使用半導(dǎo)體技術(shù)、蝕刻技術(shù)、平板印制技術(shù)，設(shè)計(jì)并制造出微米領(lǐng)域三維力學(xué)系統(tǒng)，以微米為尺度生產(chǎn)制作力學(xué)元件，使硅片微米傳感器及微米電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)集成化制造。

20 世紀(jì)60年代，微電子技術(shù)發(fā)展速度不斷加快，相關(guān)研究人員開(kāi)始探索硅微加工方式制作傳感器、執(zhí)行器與控制裝置，切實(shí)保障此裝置運(yùn)行期間的自動(dòng)化、智能化生產(chǎn)水平，有效控制微電子機(jī)械系統(tǒng)生產(chǎn)制造期間的成本量。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)成熟，微機(jī)械壓力傳感裝置、微連桿及微齒輪的微機(jī)械零部件相應(yīng)誕生，使國(guó)防工業(yè)等各部門(mén)未來(lái)的生產(chǎn)發(fā)展發(fā)生了革命性變化。

1.2 楊氏模量

楊氏模量就是用于描述固體材料抵抗形變能力的物理量，其物理意義為金屬絲單位截面積所受到的力以及金屬絲單位長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的伸長(zhǎng)量。楊氏模量又被稱(chēng)之為拉伸模量，是彈性模量最常見(jiàn)的一種形態(tài)。在衡量楊氏模量過(guò)程中，需要關(guān)注各項(xiàng)同性彈性體剛度，借助單軸應(yīng)力及單軸形變之比，判斷物質(zhì)彈性量大小[1]。

楊氏模量概念最早于19 世紀(jì)初英國(guó)物理學(xué)家提出。基于胡克定律，在物體彈性限度之內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變成正比，其比值就被稱(chēng)之為材料的楊氏模量。楊氏模量大小可直接彰顯出材料剛度。在楊氏模量越大的情況下，材料剛度就越大，越不容易出現(xiàn)變形情況。

2 研究聲激勵(lì)共振法測(cè)量微機(jī)械材料楊氏模量的重要意義

與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，中國(guó)微機(jī)械行業(yè)發(fā)展起步較晚，但實(shí)際發(fā)展速度較快?，F(xiàn)階段微機(jī)械行業(yè)已經(jīng)利用了蝕刻硅技術(shù)生產(chǎn)出了微齒輪、微彈簧、微梁等微機(jī)械構(gòu)件[2]。通過(guò)將此些機(jī)械構(gòu)件組合在一起，形成微電子機(jī)械系統(tǒng)，促進(jìn)了微傳感器、微型機(jī)器人、微型手術(shù)裝置發(fā)展。

現(xiàn)階段微電子機(jī)械系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、國(guó)防領(lǐng)域中，為新領(lǐng)域生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)建設(shè)模式的轉(zhuǎn)變奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

在各類(lèi)微機(jī)械構(gòu)件生產(chǎn)速度不斷加快的背景下，對(duì)微機(jī)械材料楊氏模量、硬度等性能的檢測(cè)工作也已成為相關(guān)領(lǐng)域的重要研究課題。

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，硅材料在氧化處理后，表面二氧化硅會(huì)出現(xiàn)明顯收縮特征，對(duì)材料界面產(chǎn)生應(yīng)力作用影響[1]。配合使用硅蝕刻技術(shù)，表面留下的二氧化硅層也會(huì)出現(xiàn)不同等級(jí)楊氏模量，因此為評(píng)估微機(jī)械構(gòu)件實(shí)際運(yùn)行期間的機(jī)械性能，還需要對(duì)構(gòu)件表面的二氧化硅進(jìn)行處理及楊氏模量測(cè)量。

現(xiàn)階段微機(jī)械材料楊氏模量測(cè)量工作主要采用靜態(tài)應(yīng)變、靜電激勵(lì)共振2 種方式。由于這2 種方式在實(shí)際應(yīng)用期間的要求及應(yīng)用期間的缺陷較為顯著，因此還需重點(diǎn)關(guān)注聲激勵(lì)共振法在微機(jī)械構(gòu)件楊氏模量檢驗(yàn)中的應(yīng)用效果。

2.1 靜態(tài)應(yīng)變法測(cè)量微機(jī)械材料的楊氏模量

靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量方式首次被提出于20 世紀(jì)60年代中期，研究人員結(jié)合蝕刻硅構(gòu)件中的界面層特征，設(shè)計(jì)出了氣球技術(shù)與橫梁技術(shù)，這2 種技術(shù)均屬于靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量方式。

氣球技術(shù)主要就是在拋光硅材料表面，依照規(guī)定溫度及時(shí)間使材料表面形成二氧化硅膜，要求膜厚度為0.2～2 μm。在該二氧化錳表面取3×10 mm 的窗口進(jìn)行蝕刻處理，并將處理后的材料放置在管道端部。將具有一定壓力的空氣輸入到管道內(nèi)，使二氧化硅膜產(chǎn)生氣球狀突出。通過(guò)檢測(cè)不同空氣壓力下的二氧化硅膜具體情況，計(jì)算出二氧化硅膜鼓起曲率半徑與不同空氣壓力之間的關(guān)系，計(jì)算出微機(jī)械材料的楊氏模量。

橫梁技術(shù)主要就是在1 根硅梁的一側(cè)表面生成二氧化硅膜，在二氧化硅膜界面層產(chǎn)生應(yīng)力的情況下，硅梁也會(huì)發(fā)生相應(yīng)彎曲變化，借助該彎曲的曲率半徑值，計(jì)算出微機(jī)械材料楊氏模量具體數(shù)值。硅梁應(yīng)當(dāng)為復(fù)合材料梁體結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)度控制在5 mm、寬度為2 mm。硅梁的硅層厚度需要設(shè)置為0.05 mm，二氧化硅層厚度則應(yīng)為0.2～2 μm。在計(jì)算得出硅材料楊氏模量后，配合使用硅梁楊氏模量計(jì)算手段，可以從根本上提升計(jì)算期間的效率與精準(zhǔn)度。

這2 種方法均可以用于檢測(cè)微機(jī)械材料楊氏模量在不同蝕刻條件下的變化情況，但在實(shí)際應(yīng)用期間仍存在較大問(wèn)題。具體來(lái)說(shuō)，實(shí)驗(yàn)樣品制作與實(shí)驗(yàn)裝置的運(yùn)行難度大，樣品在實(shí)驗(yàn)期間經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)破碎后變形的情況，對(duì)實(shí)際測(cè)量結(jié)果的精準(zhǔn)性造成不利影響。

2.2 靜電激勵(lì)共振法測(cè)量微機(jī)械材料的楊氏模量

20 世紀(jì)70年代末，微機(jī)械行業(yè)專(zhuān)家又提出了靜電激勵(lì)共振法測(cè)量微機(jī)械材料中的楊氏模量。在檢測(cè)微機(jī)械材料懸臂時(shí)，可以對(duì)不同蝕刻方式以及不同材料形成的膜進(jìn)行楊氏模量測(cè)量，實(shí)際測(cè)量范圍擴(kuò)大。同時(shí)，微機(jī)械懸梁材料的長(zhǎng)度可為35～120 μm，厚度可為0.1～0.9 μm，檢測(cè)期間的硬性條件要求不高。通過(guò)使用靜電勵(lì)磁手段，懸臂梁能夠產(chǎn)生共振作用，結(jié)合共振頻率計(jì)算出被檢測(cè)微機(jī)械材料楊氏模量。

相較于靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量方式而言，利用靜電激勵(lì)共振測(cè)量方法可以減少測(cè)量樣品微小變形量的環(huán)節(jié)，在實(shí)際測(cè)量期間需要在被檢測(cè)懸臂梁上配備金屬電極，接入激勵(lì)電源[3]。金屬鍍層會(huì)使微機(jī)械懸臂梁結(jié)構(gòu)形成復(fù)合材料梁，由于金屬鍍層極薄，在實(shí)際測(cè)量期間可以基本忽視該金屬鍍層對(duì)楊氏能量測(cè)量結(jié)果造成的影響。

2.3 瞬態(tài)激勵(lì)法測(cè)量微機(jī)械材料的楊氏模量

瞬態(tài)激勵(lì)測(cè)量法也是一種動(dòng)態(tài)測(cè)量法。在某一彈性物體受到瞬間撞擊的情況下，會(huì)產(chǎn)生短暫振蕩過(guò)程，此振蕩過(guò)程由最初受迫狀態(tài)而后過(guò)渡到自然狀態(tài)，最后趨于停止。

瞬態(tài)激勵(lì)碰撞裝置的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由2部分組成。一部分需要對(duì)被檢測(cè)構(gòu)件進(jìn)行瞬態(tài)碰擊激勵(lì)，使被測(cè)構(gòu)件產(chǎn)生短暫的振蕩；另一部分主要對(duì)被測(cè)物體發(fā)出的振蕩信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)與處理，計(jì)算出物體在自由振蕩狀態(tài)下的頻率。被測(cè)物體也需要制作成懸臂梁結(jié)構(gòu)，在懸臂梁尺寸較小的情況下，可以使用碰擊基座的方式使其出現(xiàn)振蕩。懸臂梁固定在基座處，基座需要由二維微調(diào)裝置固定在防震臺(tái)上，基座質(zhì)量不會(huì)影響到懸臂梁的自然諧振頻率。

瞬態(tài)激勵(lì)裝置的動(dòng)力部件為1 臺(tái)微型直流調(diào)速電動(dòng)機(jī)，在輸出軸前端連接1個(gè)極細(xì)的碰針。在電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)1 周后，碰針需要對(duì)懸臂梁進(jìn)行1 次瞬態(tài)撞擊，借助二維微調(diào)裝置可以調(diào)節(jié)撞擊強(qiáng)度，從而有效控制懸臂梁的振蕩幅度及衰減時(shí)間。

通過(guò)分析懸臂梁自由振蕩階段下的信號(hào)波形圖及頻譜圖，發(fā)現(xiàn)在懸臂梁處于自由振蕩階段時(shí)，主要為單一頻率的正弦振蕩。懸臂梁處于自由振蕩下的自然諧振頻率為2 kHz。

在檢測(cè)得到懸臂梁自然諧振頻率后，可計(jì)算出該懸臂梁材料的楊氏模量值。計(jì)算公式與聲激勵(lì)測(cè)量公式一致。

2.4 聲激勵(lì)共振法測(cè)量微機(jī)械材料的楊氏模量

聲激勵(lì)共振法測(cè)量工作從原理上看也是一種動(dòng)態(tài)測(cè)量手段，被檢測(cè)的機(jī)械材料樣品也需制作成懸臂梁形式。在確定懸臂梁尺寸后，測(cè)量懸臂梁彎曲簡(jiǎn)正振動(dòng)基頻，確保該頻率處于聲頻標(biāo)準(zhǔn)范圍中。

聲激勵(lì)共振方式還可以通過(guò)調(diào)節(jié)聲波的手段，與微機(jī)械材料懸臂梁產(chǎn)生共振。共振期間的最低聲波頻率就是懸臂梁彎曲簡(jiǎn)正振動(dòng)基頻，借助簡(jiǎn)正振動(dòng)基頻計(jì)算公式，計(jì)算出材料的楊氏模量。

該種楊氏模量測(cè)量手段的測(cè)量流程更為簡(jiǎn)單、實(shí)際操作較為便捷，測(cè)量結(jié)果的全面性與精準(zhǔn)度能夠得到根本保障。

在微機(jī)械材料懸臂梁聲激勵(lì)裝置中，聲激勵(lì)裝置主要由標(biāo)準(zhǔn)音頻信號(hào)發(fā)射器、功放電路、耳機(jī)組成。將耳機(jī)發(fā)出的聲波對(duì)準(zhǔn)微機(jī)械材料懸臂梁的長(zhǎng)寬兩側(cè)。懸臂梁材料可以將聲波及聲波振動(dòng)情況轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。由于懸臂梁會(huì)借助基座被固定到防震臺(tái)面上，因此需要嚴(yán)格管控基座質(zhì)量，避免基座對(duì)微機(jī)械材料懸臂梁的簡(jiǎn)正振動(dòng)頻率值造成不利影響。

在檢測(cè)懸臂梁振蕩信號(hào)過(guò)程中，需要配合使用專(zhuān)業(yè)的激光設(shè)施，借助激光干涉手段獲得振蕩信號(hào)值。具體來(lái)說(shuō)，借助10 倍顯微鏡裝置，將激光發(fā)出的光聚焦在微機(jī)械材料懸臂梁一側(cè)，經(jīng)過(guò)反射后的光會(huì)進(jìn)入到激光裝置的激光腔內(nèi)部。懸臂梁與激光槍之間構(gòu)成了復(fù)合腔結(jié)構(gòu)激光器，該復(fù)合激光器反射率、懸臂梁表面反射率、激光器前腔鏡反射率會(huì)受到光相位差的直接影響。

結(jié)合激光反饋干涉原理，激光裝置中的后項(xiàng)輸出光功率與前腔反射率具有正比關(guān)系，激光裝置中的后項(xiàng)輸出光功率越大，前腔反射率也會(huì)隨之增大。因此在懸臂梁振動(dòng)時(shí)，振動(dòng)率也會(huì)使激光器的后項(xiàng)輸出光功率發(fā)生相應(yīng)變化。變化后的光功率會(huì)借助光電接收轉(zhuǎn)換裝置放大，在示波裝置上直接展示出懸臂梁具體振動(dòng)波形。

在激勵(lì)源信號(hào)選擇時(shí)，需要使用連續(xù)正弦波。借助由低向高的順序逐步調(diào)整音頻信號(hào)發(fā)生器及信號(hào)頻率，觀察微機(jī)械懸臂梁的振動(dòng)情況。在懸臂梁發(fā)生振動(dòng)現(xiàn)象后，通過(guò)調(diào)整頻率值可以使懸臂梁的振幅達(dá)到最大范圍，激勵(lì)信號(hào)頻率與懸臂梁彎曲簡(jiǎn)正振動(dòng)頻率相同。在采用方波作為激勵(lì)波信號(hào)時(shí)，由于受到高次諧波作用影響，使懸臂梁在某一高次諧波激勵(lì)下出現(xiàn)共振情況。通過(guò)繪制出懸臂梁在頻率為221 Hz 方波勵(lì)磁下的共振波形，發(fā)現(xiàn)懸臂梁的彎曲簡(jiǎn)正振動(dòng)頻率為1.54 kHz，高次諧波下的懸臂梁振動(dòng)幅度較小。

以某微機(jī)械材料懸臂梁楊氏模量測(cè)量工作為例，該懸臂梁的聲激勵(lì)最大幅度振動(dòng)波形起伏較大。經(jīng)檢測(cè)該激勵(lì)信號(hào)頻率為1.54 kHz，則懸臂梁的彎曲簡(jiǎn)正頻率值也為1.54 kHz。

如激勵(lì)源信號(hào)為方波的情況下，受高次諧波作用影響，懸臂梁會(huì)在某高次斜波激勵(lì)下出現(xiàn)共振現(xiàn)象[2]。例如，在懸臂梁頻率為221 Hz 方波激勵(lì)下，懸臂梁的彎曲簡(jiǎn)正振動(dòng)頻率為1.54 kHz，與方波勵(lì)磁信號(hào)諧波相同。但高次諧波激勵(lì)下的懸臂梁振幅則較小。

由此可見(jiàn)，在使用聲激勵(lì)共振法測(cè)量微機(jī)械材料楊氏模量過(guò)程中，方波激勵(lì)信號(hào)與正弦波激勵(lì)信號(hào)的波動(dòng)峰值一致，但是懸臂梁彎曲簡(jiǎn)正振動(dòng)機(jī)平的振幅卻較小，需要在實(shí)際使用聲激勵(lì)共振法過(guò)程中，結(jié)合微機(jī)械材料楊氏模量具體測(cè)量要求，選擇適宜的勵(lì)磁源信號(hào)波，切實(shí)提升聲激勵(lì)共振法在測(cè)量微機(jī)械材料楊氏模量中的實(shí)際應(yīng)用效果。

3 聲激勵(lì)共振法測(cè)量微機(jī)械材料楊氏模量實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)開(kāi)展聲激勵(lì)實(shí)驗(yàn)，合理設(shè)置微機(jī)械材料懸臂梁規(guī)格。為保障實(shí)驗(yàn)結(jié)果，懸臂梁的長(zhǎng)度為20.6 mm、寬度為1.5 mm、厚度為0.45 mm。使用聲激勵(lì)共振方式檢測(cè)出的懸臂梁彎曲簡(jiǎn)正振動(dòng)基頻值為1.54 kHz。

結(jié)合懸臂梁彎曲簡(jiǎn)正振動(dòng)基頻計(jì)算公式，計(jì)算得出該微機(jī)械材料的楊氏模量。要求在實(shí)際計(jì)算中還需要準(zhǔn)確收集懸臂梁截面積、截面繞截面軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣性距、硅材料密度的數(shù)值。代入計(jì)算所得的彎曲簡(jiǎn)正振動(dòng)基頻，發(fā)現(xiàn)該微機(jī)械材料楊氏模量測(cè)量數(shù)值與公布的微機(jī)械材料楊氏模量數(shù)值相同，說(shuō)明聲激勵(lì)共振法楊氏模量過(guò)程中具有較高的精準(zhǔn)度及可操作性。

目前來(lái)看，聲激勵(lì)共振測(cè)量方式已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在微機(jī)械材料楊氏模量測(cè)量過(guò)程中，通過(guò)對(duì)不同制造工藝及處理方式下的微機(jī)械材料楊氏模量進(jìn)行全面測(cè)量，能夠有效評(píng)估其應(yīng)用期間的機(jī)械性能，確保后續(xù)生產(chǎn)出的微機(jī)械構(gòu)件能夠被有效應(yīng)用在微機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中。通過(guò)將機(jī)械材料加工制作成懸臂梁形式，使用聲激勵(lì)手段使懸臂梁產(chǎn)生共振的測(cè)量方式，實(shí)際測(cè)量流程較少，測(cè)量效率較高，能夠從根本上保障測(cè)量結(jié)果的精準(zhǔn)度，為推動(dòng)微機(jī)械行業(yè)發(fā)展進(jìn)程奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

4 總結(jié)

相較于其他測(cè)量方式而言，聲激勵(lì)共振法測(cè)量設(shè)施結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，通過(guò)將微機(jī)械材料制作成懸臂梁的方式，懸臂梁結(jié)構(gòu)起振效果好，檢測(cè)期間的精準(zhǔn)度更高，可以被廣泛使用在微機(jī)械材料楊氏模量測(cè)量過(guò)程中，進(jìn)一步加快微機(jī)械行業(yè)發(fā)展進(jìn)程。