MEMS三维微触觉测头的低频振动测试系统

近年来，在生产科研中器件和结构微型化、集成化趋势的推动作用下，微纳加工技术迅速发展，使器件和结构的特征尺寸和与之相关的公差不断减小，而其形状结构复杂程度却不断增加，这就对微纳特征尺度器件的检测提出了更高的要求．现有的微器件检测方法主要包括显微干涉、共聚焦显微、光学探针等光学方法[1]，以及 AFM、STM 等扫描力显微方法[2-3]．但是，所有基于光学原理的形貌测量方法，由于存在衍射效应和物镜的数值孔径造成的横向分辨率限制，同时对于高深宽比等特殊结构无法测量，所以并不能实现真正的三维检测[4]；而以 AFM 和 STM 为代表的扫描力显微测量方法虽然具有很高的纵向和横向分辨率，但受到针尖结构和有限测量范围的限制，不适合作为真正意义上的微纳尺度三维检测方法．

由于上述测量方法的局限性，微纳领域几何量测量工作需要更多的测量手段．这方面的工作主要集中在对微纳坐标测量机技术的研究和开发上．具体包括两方面的内容：①高精度大范围的坐标定位平台[5]；②具有较高分辨力和测量精度的传感测头[6]．其中传感测头的振动性能对于评价测头结构、电路处理系统、定位平台的反馈控制系统的响应情况和稳定性有着非常重要的意义．在测头和微坐标测量机集成的工作状态下，测头的振动性能也会直接决定测头的扫描速度和扫描方式．

笔者构建了一种基于 Suss Microtec 三维微定位器和 PI 压电陶瓷的动态测试装置的微触觉测头低频测试系统，对测头的动态性能进行表征．利用低频振动模拟扫描过程，并分别测试测头在轴向和横向负载下对不同振幅信号的响应情况，从而验证测头位移-电压关系的稳定性，以及微触觉测量系统在快速测量中的响应速度和稳定性．

１ 微触觉测头低频振动系统的构建

图 1 为三维 MEMS 微触觉式测头结构的实物照片．测头在进行测量的过程中，测端 1 用来触觉被测物体的位移变化，测杆 2 用来将测端１的位移变化传递到中心连接体 4 上，中心连接体４和敏感梁 5 通过外框架 3 固定，敏感梁 5 随中心连接体的转动而弯曲，并通过表面扩散的压阻检测应力的变化．通过惠斯通电桥及后续放大调理电路处理，输出与被测几何量成正比的电压信号，从而实现对微位移或微力的高精度检测．

图 2 所示为不同加载模式下的微触觉测头动态性能测试系统原理框图．在轴向加载模式(见图 2(a))下，微触觉测头通过夹持机构固定在垂直方向上，Suss Microtec 的粗动定位装置与一个 PI S-303 压电陶瓷驱动器连接，S-303 具有 2 μm 的移动范围和10^-10m 的分辨力，运动线性小于 0.03％．S-303 的控制由 E665 压电陶瓷放大及伺服控制器提供，利用信号发生器给 S- 303 提供一个低频的方波驱动信号．利用粗动定位装置使测端与压电陶瓷接触，改用压电陶瓷给测端提供一定程度的位移振幅信号，记录电桥电压的变化输出，从而表征测头在低频信号下的动态响应．横向加载模式(见图 2(b))下测试系统的工作原理与此类似．