大行程纳米分辨率加载机构的研制

　　1　引言

　　MEMS是一门新兴的综合性学科,正日益受到广泛重视,并在多种学科领域广泛应用[1]。由于MEMS通常包含诸如微铰链、微致动器、微悬臂梁等各种构件,而这些构件的力学性能对MEMS的使用性能、可靠性和使用寿命具有很大影响,从而使微机械力学性能的研究成为MEMS的重要基础研究领域之一[2]。为了能够测量微电子机械系统的力学性能,必须研制一种适应MEMS的各种微构件的多种力学性能测试的仪器。微力微位移装置是一种专门针对微构件力学性能测试的装置,该装置可以通过精密的瞄准、定位、加载、卸载等操作得到微构件在不同压头作用下的载荷位移曲线,通过这些曲线的分析能够得到硬度、弹性模量、屈服强度、断裂韧度等力学性能。该装置的研究提供了一种有效的、专门进行微构件力学分析的工具。

　　微力微位移装置所提出和加载机构有关的主要指标为加力范围100μN~20 N(多种范围)、力分辨率最高μN级、最大位移1 mm、位移分辨率10 nm。加载机构具有较大的加载力和很大的加载范围,同时还需保证高分辨率。目前国外的一些加载装置通过电磁加载,而电磁加载具有发热等缺点[3]。针对微力微位移装置的加载机构问题,本文提出了两级整体式加载机构,也就是两级加载的机构在一块材料上加工完成。在论述了该加载机构的原理之后,进行了设计、校核,最后对第一级进行了实验。有限元分析和实验结果表明设计的结果是可行的。

　　2　加载机构的工作原理

　　整体式加载机构的两级加载分别采用德国PI公司的PZT驱动器P840.20和M-222.20 Mike-DC直线电机驱动。位移检测由Queensgate公司生产的NXD1电容测微仪测量,选用NS2000驱动。PZT驱动器选用PI的单通道电压控制放大器E-610.S0。各部件的主要指标为,P840.20压电驱动器满行程输出位移30μm,其位移分辨率0.6 nm,M-222.20 Mike-DC直线电机满行程10 mm,位移增量50 nm,NXD1电容测微仪在满量程1.25 mm的范围内,两极板间的电容是2 pF,噪声0.188 nm /,线性误差<0.02%。

　　根据加载机构所选元件,设计加载机构希望达到,第一级采用压电驱动器驱动,输出位移50μm;第二级采用直线电机驱动,输出位移1 mm。两级的位移增量最小为10 nm,位移分辨率优于10 nm。满足最大输出力20 N。为此第一级必须进行位移的放大,而第二级进行位移缩小,整个加载机构工作原理如图1所示。

　　第一级通过四连杆机构进行支承,杠杆进行位移放大;第二级通过杠杆缩小,组合平行片簧支承。输出位移通过安装在输出位置的电容测微仪检测。系统力的加载是通过两级驱动器加载,加载力的大小通过Sartorius精密电子称标定。