薄膜磁致伸缩系数计算机辅助测试系统的设计

详细内容

1　引　言

随着磁致伸缩薄膜材料在微机电系统(MEMS)等领域的应用,迫切需要设计一种能精确表征磁致缩薄膜材料特性的磁致伸缩系数λ的测试系统。由于磁致伸缩薄膜的磁致伸缩系数λ的绝对值很小,一般在10-4~10-6量级,因此要对磁致伸缩系数λ进行直接测量就显得十分困难。对于磁致伸缩薄膜材料的应用,主要是采用悬臂梁方式或膜状方式构成的功能器件[1],根据磁致伸缩和材料力学理论,一般可以通过测量悬臂梁的微挠度,进而计算出材料的磁致伸缩系数λ。因此,怎样准确、可靠地测量悬臂梁的微挠度是设计测试系统的重点和难点。对于悬臂梁系统微形变的测量,常见的方法有电容法、干涉法和激光光杠杆放大法[2]。与电容法和干涉法相比,利用激光光杠杆放大的方法进行测量,具有操作简便、设备要求低的优点,再配以光电传感器,能方便地实现测量的计算机化。本文采用激光光杠杆放大的方法设计实现磁致伸缩系数λ的测试。

2　测试原理

基于磁致伸缩和材料力学理论,通过测量悬臂梁的微挠度,计算出材料的磁致伸缩系数λ[3]:λ=Z·H2s3·Hf·P2·ε(1)式中:ε=Ef(1—υs)/Es(1+υf),λ:薄膜的磁致伸缩系数,Z:悬臂梁的挠度,Hs/Hf:基底/薄膜的厚度,Es/f:基底/薄膜的弹性模量,υs/υf:基底/薄膜的泊松比,P:悬臂梁长度。

悬臂梁的微挠度经放大后,利用位置敏感传感器(PSD)将光点位移信号转化为电信号,经A/D转换器将模拟电压信号转换为数字信号,利用计算机增强并行接口(EPP)进行数据采集处理。这样的设计,可以利用计算机根据激光光点位置的变化测量悬臂梁的微挠度和材料的磁致伸缩系数λ。

3　系统设计

一束激光投射到臂长为p的悬臂梁抛光面的自由端,其反射光点在距自由端r处被位置敏感传感器(PSD)探测。设入射光与悬臂梁法向的夹角为θ,当悬臂梁在平行于膜面的外磁场作用下弯曲一个很小的角度α时,经过几何计算,在r处探测到的激光光点的位移为:

位置敏感传感器(PSD)是一种光电传感器,它可以提供在其光敏面移动的光点的连续位置变化信号。