声激励共振法测量微机械材料的杨氏模量＊

2022-11-15陈建丽

科技与创新 2022年18期

陈建丽

（广东科学技术职业学院机器人学院，广东珠海 519090）

将声激励共振法应用在微机械材料杨氏模量测量过程中，需要将被检测的机械材料制作成悬臂梁，采用声激励方式使悬臂梁产生共振，基于共振频率计算出被检测为机械材料的杨氏模量。该种检测方式检测原理简单、实际操作便捷，检测结果全面精准，因此逐步取代了静态应变测量与静电激励共振测量方式，成为微机械材料杨氏模量的重要测量手段。

1 微机械材料与杨氏模量简介

1.1 微机械材料

微机械主要就是使用半导体技术、蚀刻技术、平板印制技术，设计并制造出微米领域三维力学系统，以微米为尺度生产制作力学元件，使硅片微米传感器及微米电机能够实现集成化制造。

20 世纪60年代，微电子技术发展速度不断加快，相关研究人员开始探索硅微加工方式制作传感器、执行器与控制装置，切实保障此装置运行期间的自动化、智能化生产水平，有效控制微电子机械系统生产制造期间的成本量。随着大规模集成电路技术成熟，微机械压力传感装置、微连杆及微齿轮的微机械零部件相应诞生，使国防工业等各部门未来的生产发展发生了革命性变化。

1.2 杨氏模量

杨氏模量就是用于描述固体材料抵抗形变能力的物理量，其物理意义为金属丝单位截面积所受到的力以及金属丝单位长度对应的伸长量。杨氏模量又被称之为拉伸模量，是弹性模量最常见的一种形态。在衡量杨氏模量过程中，需要关注各项同性弹性体刚度，借助单轴应力及单轴形变之比，判断物质弹性量大小[1]。

杨氏模量概念最早于19 世纪初英国物理学家提出。基于胡克定律，在物体弹性限度之内，应力与应变成正比，其比值就被称之为材料的杨氏模量。杨氏模量大小可直接彰显出材料刚度。在杨氏模量越大的情况下，材料刚度就越大，越不容易出现变形情况。

2 研究声激励共振法测量微机械材料杨氏模量的重要意义

与发达国家相比，中国微机械行业发展起步较晚，但实际发展速度较快。现阶段微机械行业已经利用了蚀刻硅技术生产出了微齿轮、微弹簧、微梁等微机械构件[2]。通过将此些机械构件组合在一起，形成微电子机械系统，促进了微传感器、微型机器人、微型手术装置发展。

现阶段微电子机械系统已被广泛应用在工业领域、医学领域、国防领域中，为新领域生产经营建设模式的转变奠定了坚实的技术基础。

在各类微机械构件生产速度不断加快的背景下，对微机械材料杨氏模量、硬度等性能的检测工作也已成为相关领域的重要研究课题。

经过实验研究发现，硅材料在氧化处理后，表面二氧化硅会出现明显收缩特征，对材料界面产生应力作用影响[1]。配合使用硅蚀刻技术，表面留下的二氧化硅层也会出现不同等级杨氏模量，因此为评估微机械构件实际运行期间的机械性能，还需要对构件表面的二氧化硅进行处理及杨氏模量测量。

现阶段微机械材料杨氏模量测量工作主要采用静态应变、静电激励共振2 种方式。由于这2 种方式在实际应用期间的要求及应用期间的缺陷较为显著，因此还需重点关注声激励共振法在微机械构件杨氏模量检验中的应用效果。

2.1 静态应变法测量微机械材料的杨氏模量

静态应变测量方式首次被提出于20 世纪60年代中期，研究人员结合蚀刻硅构件中的界面层特征，设计出了气球技术与横梁技术，这2 种技术均属于静态应变测量方式。

气球技术主要就是在抛光硅材料表面，依照规定温度及时间使材料表面形成二氧化硅膜，要求膜厚度为0.2～2 μm。在该二氧化锰表面取3×10 mm 的窗口进行蚀刻处理，并将处理后的材料放置在管道端部。将具有一定压力的空气输入到管道内，使二氧化硅膜产生气球状突出。通过检测不同空气压力下的二氧化硅膜具体情况，计算出二氧化硅膜鼓起曲率半径与不同空气压力之间的关系，计算出微机械材料的杨氏模量。

横梁技术主要就是在1 根硅梁的一侧表面生成二氧化硅膜，在二氧化硅膜界面层产生应力的情况下，硅梁也会发生相应弯曲变化，借助该弯曲的曲率半径值，计算出微机械材料杨氏模量具体数值。硅梁应当为复合材料梁体结构，长度控制在5 mm、宽度为2 mm。硅梁的硅层厚度需要设置为0.05 mm，二氧化硅层厚度则应为0.2～2 μm。在计算得出硅材料杨氏模量后，配合使用硅梁杨氏模量计算手段，可以从根本上提升计算期间的效率与精准度。

这2 种方法均可以用于检测微机械材料杨氏模量在不同蚀刻条件下的变化情况，但在实际应用期间仍存在较大问题。具体来说，实验样品制作与实验装置的运行难度大，样品在实验期间经常会出现破碎后变形的情况，对实际测量结果的精准性造成不利影响。

2.2 静电激励共振法测量微机械材料的杨氏模量

20 世纪70年代末，微机械行业专家又提出了静电激励共振法测量微机械材料中的杨氏模量。在检测微机械材料悬臂时，可以对不同蚀刻方式以及不同材料形成的膜进行杨氏模量测量，实际测量范围扩大。同时，微机械悬梁材料的长度可为35～120 μm，厚度可为0.1～0.9 μm，检测期间的硬性条件要求不高。通过使用静电励磁手段，悬臂梁能够产生共振作用，结合共振频率计算出被检测微机械材料杨氏模量。

相较于静态应变测量方式而言，利用静电激励共振测量方法可以减少测量样品微小变形量的环节，在实际测量期间需要在被检测悬臂梁上配备金属电极，接入激励电源[3]。金属镀层会使微机械悬臂梁结构形成复合材料梁，由于金属镀层极薄，在实际测量期间可以基本忽视该金属镀层对杨氏能量测量结果造成的影响。

2.3 瞬态激励法测量微机械材料的杨氏模量

瞬态激励测量法也是一种动态测量法。在某一弹性物体受到瞬间撞击的情况下，会产生短暂振荡过程，此振荡过程由最初受迫状态而后过渡到自然状态，最后趋于停止。

瞬态激励碰撞装置的实验系统主要由2部分组成。一部分需要对被检测构件进行瞬态碰击激励，使被测构件产生短暂的振荡；另一部分主要对被测物体发出的振荡信号进行检测与处理，计算出物体在自由振荡状态下的频率。被测物体也需要制作成悬臂梁结构，在悬臂梁尺寸较小的情况下，可以使用碰击基座的方式使其出现振荡。悬臂梁固定在基座处，基座需要由二维微调装置固定在防震台上，基座质量不会影响到悬臂梁的自然谐振频率。

瞬态激励装置的动力部件为1 台微型直流调速电动机，在输出轴前端连接1个极细的碰针。在电动机每转动1 周后，碰针需要对悬臂梁进行1 次瞬态撞击，借助二维微调装置可以调节撞击强度，从而有效控制悬臂梁的振荡幅度及衰减时间。

通过分析悬臂梁自由振荡阶段下的信号波形图及频谱图，发现在悬臂梁处于自由振荡阶段时，主要为单一频率的正弦振荡。悬臂梁处于自由振荡下的自然谐振频率为2 kHz。

在检测得到悬臂梁自然谐振频率后，可计算出该悬臂梁材料的杨氏模量值。计算公式与声激励测量公式一致。

2.4 声激励共振法测量微机械材料的杨氏模量

声激励共振法测量工作从原理上看也是一种动态测量手段，被检测的机械材料样品也需制作成悬臂梁形式。在确定悬臂梁尺寸后，测量悬臂梁弯曲简正振动基频，确保该频率处于声频标准范围中。

声激励共振方式还可以通过调节声波的手段，与微机械材料悬臂梁产生共振。共振期间的最低声波频率就是悬臂梁弯曲简正振动基频，借助简正振动基频计算公式，计算出材料的杨氏模量。

该种杨氏模量测量手段的测量流程更为简单、实际操作较为便捷，测量结果的全面性与精准度能够得到根本保障。

在微机械材料悬臂梁声激励装置中，声激励装置主要由标准音频信号发射器、功放电路、耳机组成。将耳机发出的声波对准微机械材料悬臂梁的长宽两侧。悬臂梁材料可以将声波及声波振动情况转变为机械能。由于悬臂梁会借助基座被固定到防震台面上，因此需要严格管控基座质量，避免基座对微机械材料悬臂梁的简正振动频率值造成不利影响。

在检测悬臂梁振荡信号过程中，需要配合使用专业的激光设施，借助激光干涉手段获得振荡信号值。具体来说，借助10 倍显微镜装置，将激光发出的光聚焦在微机械材料悬臂梁一侧，经过反射后的光会进入到激光装置的激光腔内部。悬臂梁与激光枪之间构成了复合腔结构激光器，该复合激光器反射率、悬臂梁表面反射率、激光器前腔镜反射率会受到光相位差的直接影响。

结合激光反馈干涉原理，激光装置中的后项输出光功率与前腔反射率具有正比关系，激光装置中的后项输出光功率越大，前腔反射率也会随之增大。因此在悬臂梁振动时，振动率也会使激光器的后项输出光功率发生相应变化。变化后的光功率会借助光电接收转换装置放大，在示波装置上直接展示出悬臂梁具体振动波形。

在激励源信号选择时，需要使用连续正弦波。借助由低向高的顺序逐步调整音频信号发生器及信号频率，观察微机械悬臂梁的振动情况。在悬臂梁发生振动现象后，通过调整频率值可以使悬臂梁的振幅达到最大范围，激励信号频率与悬臂梁弯曲简正振动频率相同。在采用方波作为激励波信号时，由于受到高次谐波作用影响，使悬臂梁在某一高次谐波激励下出现共振情况。通过绘制出悬臂梁在频率为221 Hz 方波励磁下的共振波形，发现悬臂梁的弯曲简正振动频率为1.54 kHz，高次谐波下的悬臂梁振动幅度较小。

以某微机械材料悬臂梁杨氏模量测量工作为例，该悬臂梁的声激励最大幅度振动波形起伏较大。经检测该激励信号频率为1.54 kHz，则悬臂梁的弯曲简正频率值也为1.54 kHz。

如激励源信号为方波的情况下，受高次谐波作用影响，悬臂梁会在某高次斜波激励下出现共振现象[2]。例如，在悬臂梁频率为221 Hz 方波激励下，悬臂梁的弯曲简正振动频率为1.54 kHz，与方波励磁信号谐波相同。但高次谐波激励下的悬臂梁振幅则较小。

由此可见，在使用声激励共振法测量微机械材料杨氏模量过程中，方波激励信号与正弦波激励信号的波动峰值一致，但是悬臂梁弯曲简正振动机平的振幅却较小，需要在实际使用声激励共振法过程中，结合微机械材料杨氏模量具体测量要求，选择适宜的励磁源信号波，切实提升声激励共振法在测量微机械材料杨氏模量中的实际应用效果。

3 声激励共振法测量微机械材料杨氏模量实验结果

通过开展声激励实验，合理设置微机械材料悬臂梁规格。为保障实验结果，悬臂梁的长度为20.6 mm、宽度为1.5 mm、厚度为0.45 mm。使用声激励共振方式检测出的悬臂梁弯曲简正振动基频值为1.54 kHz。

结合悬臂梁弯曲简正振动基频计算公式，计算得出该微机械材料的杨氏模量。要求在实际计算中还需要准确收集悬臂梁截面积、截面绕截面轴转动惯性距、硅材料密度的数值。代入计算所得的弯曲简正振动基频，发现该微机械材料杨氏模量测量数值与公布的微机械材料杨氏模量数值相同，说明声激励共振法杨氏模量过程中具有较高的精准度及可操作性。

目前来看，声激励共振测量方式已经被广泛应用在微机械材料杨氏模量测量过程中，通过对不同制造工艺及处理方式下的微机械材料杨氏模量进行全面测量，能够有效评估其应用期间的机械性能，确保后续生产出的微机械构件能够被有效应用在微机械系统设计与制造过程中。通过将机械材料加工制作成悬臂梁形式，使用声激励手段使悬臂梁产生共振的测量方式，实际测量流程较少，测量效率较高，能够从根本上保障测量结果的精准度，为推动微机械行业发展进程奠定了坚实的技术基础。