微电子机械系统中微致动器力矩测试技术的研究

　　具有一定输出力矩的微致动器是各种微机械、微操作系统的动力源,其输出力矩是微致动器重要的机电性能参数之一。由于结构尺寸微小,大多数微致动器的输出力矩是通过计算得到的。现有的几种测量方法也都是接触的、间接的方式,一般只能测量大于10-5Nm以上的输出力矩,如Jacobsen S C的精密扭丝测量法[1]、Nishibi Y的基于磁致伸缩原理测量微力矩的方法[2]、Goemans P A的摩擦测量法[3]、Mathieson D的粘度制动法[4]等。

　　本文以非接触测量代替接触测量,改间接测量为直接测量,这样可最大限度地减少中间环节及测量影响因素,从而可把测量精度提高一个数量级。测量范围可提高到10-4~10-7Nm.

　　1　基本测量原理

　　图1.1是微力矩测试系统结构原理图。它由安装在微致动器输出轴上的薄铝盘、非接触制动组件(包括制动磁极和绕于其上的励磁线圈)、等臂天平、用于控制天平平衡的微力自动加载线圈、速度传感器和计算机控制等部分组成。

　　当电流流过励磁线圈时,两制动磁极的气隙中产生一定强度的磁场。铝盘在被测微致动器的带动下旋转,在磁场中切割磁力线,其内部将产生涡电流。涡电流在磁场的作用下使铝盘受到一个与运动方向相反的力。同时,制动磁极将受到一个大小相等、方向相反的反作用力。调节天平右端砝码(为实现自动测量,本装置以加载线圈代替砝码)的数量,使天平重新平衡,则可精确测出反作用力的大小。此力与制动磁极到微致动器轴心的距离的乘积即为微致动器在此转速下的输出力矩。改变励磁线圈中电流的大小,微致动器的输出力矩与转速随之改变。如此可测得微致动器输出力矩随转速变化的关系。

　　图1.2是控制系统原理图。该测试系统由计算机主控,微致动器带动铝盘在磁场中旋转,由此而产生的反作用力由等臂天平传递到加载线圈,计算机经D/A转换器控制恒流源,改变加载线圈中所产生洛伦兹力的大小,使天平保持平衡,由位置传感器经A/D转换器,将天平的位置信息传到计算机,由计算机判读天平是否平衡,若不平衡,则改变加载线圈中洛伦兹力的大小,直到天平平衡为止。再将速度传感器检测到的微致动器的转速及铝盘的有效工作半径等信息送到计算机,由计算机做最终的数据处理。

　　该方法利用电磁场作为力的传递媒体,利用重力作为基本标识力,并辅助高分辨率、高精度分析天平进行微力的感知和传导,采用自动加载、速度检测、计算机控制、数据显示系统及微位移机构进行引力平衡、位置精确检测及系统的高精度自动控制,能达到简便准确地获得微力矩的目的。

　　2　非接触可控电磁制动机理