机械测试方法与微机电系统.ppt

机械测试方法与微机电系统概述,机电工程与自动化学院,检测技术作为信息科学的一个重要分支，与计算机技术、自动控制技术和通信技术等一起构成了信息技术的完整学科。在人类进入信息时代的今天，人们的一切社会活动都是以信息获取与信息转换为中心，传感器作为信息获取与信息转换的重要手段，是信息科学最前端的一个阵地，是实现信息化的基础技术之一。,“没有传感器就没有现代科学技术”的观点已为全世界所公认。以传感器为核心的检测系统就像神经和感官一样，源源不断地向人类提供宏观与微观世界的种种信息，成为人们认识自然、改造自然的有利工具。,组成,试验 装置,数据处理装置,测量 装置,记录显示,被测对象,传感器,信号调理,多路模拟开关,取样保持,检测系统,功率放大,激励装置,低通滤波,A/D,显示,RAM,CPU,ROM,键盘,计算机总线,D/A,机械检测系统基本组成框图,力学参数：表明机器工作负荷状况的参数，力、力矩、应力、电压等；运动参数：表明机械运动规律的参数，位移、速 度、加速度等；电参数：表明机器工作负荷状况的参数，电流、电压、功率等；工艺参数：表明加工工艺条件的有关参数，如加 工对象的加工量、温度、几何形状等。,测量参数,信号：反映被测系统的状态及特性。通过研究信号的内在的规律，可充分认识被测系统的相互关系。,信号的分类,静态信号:指幅值不随时间变化或变化极缓慢的信号。,动态信号:指瞬时幅值随时间变化的信号。,周期信号的幅值可以用峰值、均值、有效值以及方差值来表示。峰值是指信号可能出现的最大瞬时幅值；均值是动态信号在整个时域的积分平均；方差是信号x(t)相对于其均值变化的均方值。,周期信号有很多表示形式，如周期性方波、锯齿波（三角波）等最简单的是正弦信号。,50Hz正弦信号波形,周期信号,传感器选择多路模拟开关 A/D转换器D/A转换器取样保持电路,传感器选择,基本参数指标,环境参数指标,可靠性指标,其他指标,量程指标：量程范围、过载能力等灵敏度指标：灵敏度、分辨力、满量程输出等精度有关指标：精度、误差、线性、滞后、重复性、灵敏度误差、稳定性 动态性能指标：固定频率、阻尼比、时间常数、频率响应范围、频率特性、临界频率、临界速度、稳定时间等,温度指标：工作温度范围、温度误差、温度漂移、温度系数、热滞后等抗冲振指标：允许各向抗冲振的频率、振幅及加速度、冲振所引入的误差其他环境参数：抗潮湿、抗介质腐蚀等能力、抗电磁场干扰能力等,工作寿命、平均无故障时间、保险期、疲劳性能、绝缘电阻、耐压及抗飞弧等,使用有关指标：供电方式（直流、交流、频率及波形等）、功率、各项分布参数值、电压范围与稳定度等外形尺寸、重量、壳体材质、结构特点等安装方式、馈线电缆等,传感器原理,检测技术,温度传感器,磁敏传感器,光电传感器,应变传感器,电感传感器,电容传感器,压电传感器,其他传感器,多传感器融合,检测电路,现代检测系统,应力测量,应力是重要的机械量，应力状况可由 某点主应力的大小和方向来表示。,测量应力可以分析研究零件、机构的受载情 况、负荷水平和强度能力，验证设计计算结果的正确性。,应力测试任务是正确确定零件主应力的大小、方向及分布规律。,应力测试方法主要采用电阻应变测量法。,主应力方向已知时的应力测量,为测量简单应力状态下的主应力方向已知的单向应力，可采用沿主应力方向粘贴电阻应变片的方法。,测量前，要求电桥处于平衡状态，无输出。测量时，电桥应愈不平衡愈好，这样可获得最大的输出信号。组桥的同时，还需考虑电桥的温度补偿。,纯弯曲应力的测量,若被测量零件的横截面对中性轴是对称的，则零件上下面的最大拉、压应力相等，电阻应变片可粘贴在零件的上下两个侧面，其布片，组桥的方式有单臂桥、半桥和全桥三种。,机械设备的基本参数是力、扭矩等。轧制力的测量 金属在轧制过程中，作用在轧辊上的压力即为轧制力，它是轧机的基本载荷参数之一。,轧制力的测量方法,应力测量法,传感器测量法,力学参数测量,应力测量法,在轧机机座中，凡直接受轧制力的零件，都产生与轧制力相对应的弹性变形，通过这些零件的弹性变形，可间接测量出轧制力。轧制时，机架的立柱产生弹性变形，其大小与轧制力成正比。,为了测的拉应力，必须把电阻应变片粘贴在立柱的中性面0-0上，这样可消除弯曲应力。,机架立柱上的布片及组成全桥的方式,传感器法测量,轧制力测量中，直接承受轧制力的测力传感器被广泛应用。它与应变法相比，传感器的应力水平要高10-20倍，精度及稳定性均优。轧机测力传感器应安装在工作机座两侧轧辊轴承垂直载荷的传力线上，通过测量两侧的轧制分力即可得到总轧制力。轧机测力传感器有电感式、电容式、压磁式、和电阻应变片式等类型。轧机测力传感器，简称压头。电阻应变片的布片和组桥方案，应具有消除偏载、弯矩、扭转、温度等干扰的特点。,扭矩测量方法,流体压力的测量 流体压力是指气体或液体作用于单位面积上的平均法向压力，也称压强。,电阻应变式压力传感器 膜板式和圆筒式 其原理是利用粘贴应变片的膜板或圆筒壁直接承受流体压力，通过所产生的应变来测量其压力。,圆筒式压力传感器 是一个薄壁筒，在它的外表面上，沿圆周方向上粘贴应变片（工作片）。薄壁筒的顶端（实心圆柱部分）无变形，故在其外表面上，粘贴补偿片，它和工作片一起组成单臂工作电桥。,电阻式传感器测量位移 变阻器式传感器测量位移 电感式传感器测量位移 可变磁阻式传感器测量位移 电容式传感器测量位移,转速的测量 光电脉冲法测量转速 电感传感器法测量转速,位移的测量,运动参数的测量,工作原理：基于电磁感应原理。它是把被测量转化为电感量变化的一种装置。,种类：自感式（包括可变磁阻式与涡流式）互感式（差动变压器式）,电感式传感器,机械转速表,用测速发电机测量转速,转速测量方法,测试装置的静态特性,灵敏度：当测试装置的输入信号有微小变化时，引起 输出信号发生微变量，则称它们的比值为灵敏度。,线性度：是指测试装置的输入和输出是否保持线性关系 线性度=输出的标定值-输出的理论值/输出信号的变化范围,回程误差：在实际测试中，在同样的条件下，当输入信号大和由大减小的过程中，测试装置会出现输入同一个信号，而得到不同的两个输出信号,其最大差值称为回程误差。,多路模拟开关,主要技术指标,导通电阻：200 关断漏电流：nApA开关时间：数百ns,译 码 器,A0,S0,A2,OUT,S2,S1,S3,S5,S4,S7,S6,A/D转换器,逐次逼近式、双积分式、V/F变换式、并行式、串行式,系统误差分析,按系统误差的性质分类,按系统误差产生的原因分类,设备误差,环境误差,实验方法误差,人员误差,固定误差,累进误差,周期性误差,变化规律复杂的误差,What are MEMS?,Micro-electro-mechanical systemsVery small mechanical assemblies,Hinged plate(UCLA),Hinge closeup(MCNC),微机电系统(MEMS)MEMS是适用于批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器、信号处理和控制及通讯接口电路、能源等于一体的能完成特定功能的微系统。,微飞行器,血液压力传感器,MEMS与相关学科领域,MEMS的特点1）微型化：MEMS器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短。2）以硅为主要材料，机械电器性能优良：硅的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度类似铝，热传导率接近钼和钨。3）批量生产：用硅微加工工艺在一片硅片上可同时制造成百上千个微型机电装置或完整的MEMS。批量生产可大大降低生产成本。,4）集成化：可以把不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器或执行器集成于一体，或形成微传感器阵列、微执行器阵列，甚至把多种功能的器件集成在一起，形成复杂的微系统。微传感器、微执行器和微电子器件的集成可制造出可靠性、稳定性很高的MEMS。5）多学科交叉：MEMS涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种学科，并集成了当今科学技术发展的许多尖端成果。,微机电系统研究得到了美国、日本、欧洲等各国政府机构、企业界、高等学校与研究机构的高度重视。源源不断涌现的MEMS器件和系统不但突破了某些传统加工技术的瓶颈，实现了技术的进步，甚至带来了观念的革命和产业结构的更新。其中以美国的表现最为突出。从八十年代以来，美国政府机构把MEMS作为科技发展的三大重点之一，先后得到了NASA、DARPA、国家科学基金会等数亿美元的资助。1994年发布的美国国防部技术计划报告也将微机电系统列为关键技术项目。,主要内容,MEMS典型器件及系统 MEMS加工技术 MEMS基础性研究,MEMS典型器件及系统,微型传感器 Micro Sensor微型致动器 Micro Actuator射频微机电系统 RF MEMS微型光机电系统 MOEMS微型生物机电系统 BioMEMS,微型传感器,微型传感器是MEMS的一个重要组成部分。1962年第一个硅微型压力传感器问世，开创了MEMS的先河。现在已经形成产品和正在研究中的微型传感器有：压力、力、力矩、加速度、速度、位置、流量、电量、磁场、温度、气体成分、湿度、pH值、离子浓度和生物浓度、微陀螺、触觉传感器等等。微型传感器正朝着集成化和智能化的方向发展。,谐振式微磁强计,谐振式微加速度传感器,悬臂式微加速度传感器,微型致动器,微型致动器有：微开关、微谐振器、微阀、微泵、微电机等。用途：可用于物体的搬送、定位驱动方式主要有：静电驱动、压电驱动、电磁驱动、形状记忆合金驱动、热双金属驱动、热驱动等等。,随着科学技术的发展，运动操作的精度要求越来越高，而一些操作必须在纳米尺度下进行才能达到规定要求。纳米级致动，是指致动精度达到纳米级(几十个纳米或更小)各种形式的单、多自由度的微操作。纳米级致动是纳米测控技术的关键组成部分，在光学仪器、半导体加工、生物医学、航空航天技术、IT产业、制造业等领域起着重要作用。,纳米级致动,IC工艺多层压印套刻分步压印对准,扫描探针数据存储、探针驱动和样品进给定位,倒装芯片封装安装定位,三维自安装光学平台驱动定位,纳米级致动,生物医学工程中游离细胞捕捉,高密度大容量计算机硬盘驱动器磁头进给读写,超精密机床微量进给,能量束加工精确定位,微型电机是一种典型的微型致动器，可分为旋转式和直线式两类。,谐振式微致动器,电热驱动,射频微机电系统,One Example of Nanosatellite Communication,Faster,Better,Cheaper,NASA Administrator Daniel Goldin sought new methods for spaceexplorationReduced mass results in significant gain in shrinking launching costSituation perfectly suited for MEMS devicesLow mass,resistant to inertial and vibration damageEndurance in high radiation environments,Increase aperture size for interferometer and distributed radar systems,Hubble Space Telescope,Planned DSA Missions,Terrestrial Planet Finder(JPL),TechSat 21 Distributed Radar(AFRL),Space Technology 5&6(NASA-NMP)First to use primarily MEMS components,Consideration for DSA,Actively control relative positions and velocitiesRobust,reliable feedback from sensors possibly onboard separate vehicleRemote RF communication necessaryRF comm.requires sender/receiver pair with signal processing hardwareMEMS RF devices explored:Switches AntennasSignal FiltersPhase Shifters,RF MEMS 开关,RF MEMS switches have better efficiency and lower insertion losses than conventional switches Ideal for space:Rapid responseGood power handlingWide bandwidthHigh open isolation,RF MEMS 滤波器,MEMS offers passive front-end signal processing capabilityCompact one-chip designHigh fidelity signal handlingTunable configuration,Filter sensitivity and quality factor(Q)would be greatly increased,CPW Filter,Beam Resonator,RF MEMS 天线,17.5 GHz V-Antenna,谐振式MEMS滤波器,微型光机电器件和系统,随着信息技术、光通信技术的发展，宽带的多波段光纤网络将成为信息时代的主流，光通信中光器件的微小型化和大批量生产成为迫切的需求。MEMS技术与光器件的结合恰好能满足这一要求。由MEMS与光器件融合为一体的微型光机电系统（MOEMS）将成为MEMS领域中一个重要研究方向。,随着微机电研究的深入，光学内容逐渐进入其中，从而出现了将光、机、电系统集成在一起的系统，构成微光机电系统。微光机电系统的研究内容主要有光通信用波分复用器、光开关、显示器、微型光谱仪、光学连接器、可调波长滤波器、微光扫描器、微斩波器、微干涉仪、微可变焦透镜、微外腔激光器、微镜阵列、透镜阵列、光学探测器、集成光学系统、光学编码器等。其中，光通讯用光开关、微型光学传感器以及显示器是目前最被看好的部分。,TI公司的数字微镜显示器（DMD），通过CMOS技术将数百万44平方微米的铝镜阵列与控制电路集成在一起。每个微镜可以进行10度的扭转，从而达成“1”和“0”两个状态。其响应时间可以达到1ms。目前这一产品已经上市，并成功进入了投影仪市场。,TI公司推出的基于MEMS工艺的利用静电驱动的数字微镜（DMD,Digitial Micro Mirror Devices）,Lucent公司推出的基于MOEMS技术的Lambda路由器，它通过表面微机械技术制作了上万面可二维转动的微镜，可以在光通讯中实现光交换的功能。,（a）二维微镜结构（b）微镜阵列(c)光交换工作原理示意图,以药物输送系统为例,微型生物机电系统,Drug Delivery by MEMS,AdvantagesImproved ControlMore Effective,DisadvantagesBiocompatibility ConcernsBiofouling Issues,The“Smart Pill”,Built-in sensor to detect when the drug is requiredArtificial muscle membrane to release the drug,Microneedles,Microneedles are used to improve transdermal drug delivery,MEMS加工技术,MEMS加工技术主要有从半导体加工工艺中发展起来的硅表面工艺和体硅工艺。八十年代中期以后利用X射线光刻、电铸、及注塑的LIGA（德文Lithograph Galvanformung und Abformug简写）技术诞生，形成了MEMS加工的另一个体系。MEMS的加工技术可包括硅表面加工和体加工的硅微细加工、LIGA加工和利用紫外光刻的准LIGA加工、微细电火花加工（EDM）、超声波加工、等离子体加工、激光加工、离子束加工、电子束加工、立体光刻成形等。MEMS的封装技术也很重要。传统的精密机械加工技术在制造微小型机械方面仍有很大潜力。,MEMS加工技术,表面硅工艺体硅工艺,Surface micromachining,Specifically-MUMPS(Multi-User MEMS Processes)1MUMPS has been called“MOSIS for MEMS”Three poly layer process derived from Berkeley Sensors and Actuators CenterSeven total material layersN mask steps,Processing Layers,7 material layers/isolationconductor(poly)1st sacrificial(oxide)1st structural(poly)2nd sacrificial(oxide)2nd structural(poly)metal,表面硅工艺,以静电梳谐振器为例,1、硅片制备（400微米）2、清洗后通过氧化作用在硅片表面生成SiO23、淀积PolySi，生成底面导电层,4、刻蚀PolySi（下图为已设计的微谐振器底层导电多晶硅结构）,5、淀积Si3N4 形成绝缘层6、淀积PSG,7、刻蚀PSG（开始构造结构层，例如图示可以看作给结构层加支撑点或触点）,8、刻蚀PSG，Si3N4（下图绿色区域为底层Si3N4，绝缘层被刻蚀区域，以保证与结构层导电）,9、淀积PolySi（结构层）10、淀积PSG（1013为结构层多晶硅表面表面金属化处理）,11、腐蚀PSG12、溅射Al,13、刻蚀Al14、刻蚀PolySi,15、腐蚀PSG（至此结构层的制作完毕）,体硅工艺,以静电梳谐振器为例,1、光刻、刻蚀在硅表面（N 型硅或P 型）形成浅槽定义键合区域,2、扩散掺杂形成接触区,3、光刻、溅射Ti/Pt/Au金属剥离形成金属电极,4、硅/玻璃键合,5、刻蚀，释放结构裂片，取得最终单元,MEMS基础性研究,尺度效应和表面效应微流体力学力学和热力学基础微机械特性和微摩擦学,尺度效应和表面效应,尺度效应研究已有较长的时间。力的尺度效应和表面效应说明，在宏观领域作用微小的力和现象，在微观领域可能起着重要的作用。在微小尺寸领域，与特征尺寸L的高次方成比例的惯性力、电磁力（L3）等的作用相对减小，而与尺寸的低次方成比例的粘性力、弹性力（L2），表面张力（L1）、静电力（L0）等的作用相对增大；随着尺寸的减小，表面积（L2）与体积（L3）之比相对增大，表面力学、表面物理效应将起主导作用。尺度效应的研究将有助于MEMS的创新。,微流体力学,微流体现象与宏观规律有相当的差别，有的规律需要进行较大的补充和修正。例如：微细通道内流动是否还符合Navier-Stokes方程；微小装置中流体驱动机制可用表面张力和粘性力，其阻力特性也有所不同、微小装置中流体的相变点（饱和压力和温度）不再是常数，而随尺度减小而降低；微细管道固液界面的微观物理化学特性所产生的化学效应，如电泳、电渗，对微流体的力学行为有重要影响。,力学和热力学基础,微观领域中的力学和热力学问题的基础研究可分为两大类，一当物体尺度缩小至与粒子运行的平均自由程同一量级时，则介质连续性等宏观假定不再成立；另一类，虽然连续介质等宏观假定仍然成立，但由于物体尺度的微小化，各种作用力的相对重要性产生了逆转，从而导致了宏观规律的变化。,微机械特性和微摩擦学,微结构材料机构特性中的弹性模量、波松比、疲劳极限、强度，以及内应力和内部缺陷的研究和数据库的建立引起了人们的重视，有些力学量需要重新作出科学的表述。微观摩擦学包括纳米摩擦行为及其控制研究、薄膜润滑与超滑技术研究、微观表面形貌与表面力学、表面物理效应研究、微磨损和微观表面改性研究。,以硅微动构件中的空气阻尼效应为例，介绍MEMS性能研究情况,梳齿差分电容式体硅微加速度计,硅微动构件中的空气阻尼效应,扫描隧道显微镜原理示意图,硅微动构件中的空气阻尼效应,二维微镜示意图,硅微动构件中的空气阻尼效应,微电容开关,硅微动构件中的空气阻尼效应,微致动器SEM图,硅微动构件中的空气阻尼效应,叉齿型微陀螺,空气阻尼是影响微动构件性能的显著因素,宏观理论用于微观尺度 Couette模型和Stokes模型 微尺度效应 Knudsen数已处于滑流区(0.01Kn0.1)稀薄气体效应 边界速度滑移模型 微槽、微管道研究 直接模拟Monte Carlo方法较适合超声速甚 至超高声速的情况,简化空气阻尼分析模型,Couette模型假设,Couette 流动分布,流体受迫振动的流线速度方程：,振动面剪切应力：,单位面积上粘滞阻尼的功耗：,简化空气阻尼分析模型,Stokes模型假设,Stokes 流动分布,流体受迫振动的流线速度方程：,振动面剪切应力：,活动平板与衬底之间的粘滞阻尼功耗：,活动平板与其上部周围环境间的粘滞阻尼功耗：,基于N-S方程的空气阻尼模型,横向振动空气阻尼模型,作如下假设：1、忽略彻体力项的影响 2、压力p在z方向上没有变化 3、速度u、v、w在z方向上没有变化，且w=0 4、运动过程处于等温状态 5、间隙内空气处于层流流动,横向振动空气阻尼模型,从Navier-Stokes方程和连续性方程出发，得到：,横向振动空气阻尼模型,对上述方程无量纲化，得到：,微尺度效应,微系统中气体的流动模式可根据Knudsen数的大小划分为三个区域：Kn10 流动为自由分子流动或无碰撞流动Kn0.01 流动为连续流 可采用连续介质流体力学理论来分析0.01Kn10 流动为过渡态流 流动必须考虑为稀薄气体流，而不是连续介质,MEMS构件中气体流动的Knudsen数为0.03左右必须考虑稀薄气体效应和速度边界滑移,一阶速度滑移边界条件：,微尺度效应,为计入稀薄气体效应，引入了有效粘度系数：,相对流量系数用于描述在狭小间隙内稀薄气体的流动，可从线性Boltzmann方程推导得到：,纵向谐振挤压空气阻尼模型,纵向谐振挤压空气阻尼模型,作如下假设：运动中两微平面保持相互平行平板沿垂直表面方向进行运动运动中两微平面间压力变化小 于环境压力,流体Reynolds方程：,计入稀薄气体作用修正Reynolds方程：,微谐振器动力学模型,横向振动微谐振器结构图,弹簧质量阻尼系统,微谐振器动力学模型,微谐振器动力学方程,其中，有效质量,mp为谐振器振动板的主干质量，mf为活动叉指质量，mb为弹性梁质量，mt为支撑架质量,弹性梁弹性系数,微谐振器动力学模型,在激励信号电压U 的作用下，固定不动电极的叉指与振子叉指间形成交变静电力F，使振子沿x方向发生移动。,驱动力的频域表达式简化为：,静电力表达式：,驱动电压：,振动板与衬底间流场分析,流场在3/4时刻速度分布图,振动板与衬底间流场分析,流场在时刻速度分布图,振动板与衬底间流场分析,流场在5/4时刻速度分布图,振动板与衬底间流场分析,流场在3/2时刻速度分布图,振动板与衬底间流场分析,流场在7/4时刻速度分布图,振动板与衬底间流场分析,流场在2时刻速度分布图,振动板上部流场分析,流场在/4时刻速度分布图,振动板上部流场分析,流场在/2时刻速度分布图,振动板上部流场分析,流场在3/4时刻速度分布图,振动板上部流场分析,流场在时刻速度分布图,振动板上部流场分析,流场在5/4时刻速度分布图,振动板上部流场分析,流场在3/2时刻速度分布图,振动板上部流场分析,流场在7/4时刻速度分布图,振动板上部流场分析,流场在2时刻速度分布图,微谐振器的模态分析,微谐振器各阶谐振频率仿真值,微谐振器系统谐响应分析,微谐振器（case1）的幅频响应图,微谐振器系统谐响应分析,微谐振器（case2）的幅频响应图,微谐振器系统谐响应分析,微谐振器（case3）的幅频响应图,空气阻尼对作纵向谐振运动微谐振器的影响,振动瞬态响应,周期内阻尼力变化曲线,微平面构件的空气压力分布,稀薄气体效应影响,a 谐振频率 f/22kHz b 谐振频率 f/100kHz,1.不计稀薄气体效应 2.计入稀薄气体效应,空气阻尼理论模型研究与微谐振器实验数据对比,谐振频率的比较,品质因子的比较,空气阻尼理论模型研究与微谐振器实验数据对比,MEMS发展目标,通过微型化、集成化来探索新原理、新功能的元件和系统，开辟一个新技术领域和产业。MEMS可以完成大尺寸机电系统所不能完成的任务，也可嵌入大尺寸系统中，把自动化、智能化和可靠性水平提高到一个新的水平。二十一世纪MEMS将逐步从实验室走向实用化，对工农业、信息、环境、生物工程、医疗、空间技术、国防和科学发展产生重大影响。,谢 谢！,