光反射法微摩擦测试仪

　　0　引言

　　随着微机电系统(MEMS)的发展,微观摩擦学越来越受到人们的广泛重视。这是因为在MEMS中,尺寸效应使得构件间的作用力随着尺寸减小发生急剧的变化,表面上摩擦阻力的影响　　不仅制约着微器件的运动性能,而且也加剧了表面磨损。微观尺度上的摩擦磨损在很大程度上决定着相互接触的运动部件能否产生运动,以及整个运动系统的性能和寿命。因此,研究微观摩擦磨损十分重要,其最终目的是要实现零磨损[1]。

　　与传统的摩擦磨损理论一样,对微尺度摩擦学机理的认识也应建立在实验研究的基础上。近十年来已有许多研究者用原子力显微镜(AFM)、扫描隧道显微镜(STM)、扫描探针显微镜(SPM)以及摩擦力显微镜(FFM)等多种手段进行了有关的纳米摩擦学实验,这对于从原子或分子层次上来了解纳米摩擦学的机理是很有帮助的[2,3]。

　　但是由于被测范围极其微小,要想了解尺度范围在1μm~1mm内的运动构件在运动过程中的表面接触及磨损机理,特别是表面吸附力等因素对摩擦力的影响就显得不够准确和完整,人们很希望了解当运动构件的尺度是微米量级时,运动构件间的摩擦力与宏观构件间的摩擦力是否有质和量的区别。

　　摩擦力、正压力的测量范围、灵敏度等是微摩擦测试的关键。有可能满足该要求的测试仪器多基于电容、光学干涉或反射以及应变桥等原理[4,5]。考虑到仪器的测量精度、测量范围、稳定性、重量、成本等因素,我们采用光反射法微摩擦测试仪测量微摩擦力,该微摩擦测试仪由硅悬臂、探针、光学器件、光电探测器等组成微摩擦力的感知系统,由三自由度高精度微动工作台、USB接口电路、计算机等构成运动导向及数据采集处理系统,可同时测试正压力和切向滑动摩擦力。

　　1　光反射法微摩擦测试的原理

　　整个测试系统由微位移进给机构、光电探测系统、数据采集处理系统组成。光电探测系统如图1所示,由两套激光光源、准直及聚焦透镜、硅传感器、两套CCD探测器及其机械调节系统组成。激光器1、硅传感器1及CCD1用来测量正压力,激光器2、硅传感器2及CCD2用来测量摩擦力。激光光源采用可见光半导体激光器(GaAlAs Laser,波长为670nm,功率为3mW)作为单色光源,光束经准直及聚焦透镜汇聚,入射到硅传感器上,再经硅传感器的抛光面反射后照射到CCD探测器的光敏面上,光斑在两CCD上所成图像如图2所示。

　　曲线的峰值所在像素位置即为CCD光敏面上光斑位置。两硅片相互垂直安放,当两硅片受正压力及水平摩擦力时发生偏转,反射激光也偏转相应的角度,CCD上的光斑位置也发生了相应变化。硅片的挠度反映了探针和试件间作用力大小,反映到CCD上就是光斑所在像元几何位置的变化,由此通过标定可得到正压力及摩擦力大小。