CN101476970A - 一种用于mems动态特性测试的底座激励装置 - Google Patents

一种用于mems动态特性测试的底座激励装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于MEMS微结构或微器件动态特性测试的激励装置，属于微型机械电子系统。该装置的结构为：待测微结构安装在顶部的十字弹簧片上，十字弹簧片通过螺钉安装在套筒顶部；压电陶瓷、上联接块、钢球、下联接块、压力传感器安装在套筒内部，压电陶瓷底部固定在上连接块上，顶部和十字弹簧片接触，改变调节垫片厚度，通过十字弹簧片压紧压电陶瓷，压力传感器安装在底板上，底板和套筒之间采用螺钉连接。本发明的有益效果是该装置可以在常态环境下对MEMS微结构进行激励，并可以消除压电陶瓷在使用过程中产生的剪切力，同时通过对压电陶瓷施加一定的预紧力，有效地延长了压电陶瓷的使用寿命；通过压力传感器可测量压电陶瓷的输出力，从而方便的求出微结构的频响函数，获得微结构的动态特性参数。

Description

一种用于MEMS动态特性测试的底座激励装置
技术领域
本发明属于微型机械电子系统技术领域，涉及到一种微结构或微器件动态特性测试的激振装置。
背景技术
近年来，采用MEMS技术制作的微器件在使用寿命、可靠性、成本、体积和重量等方面都显示出巨大的优势，使其在民用领域及军用领域有着越来越广泛的应用前景。对大多数微器件来说，其核心可动微结构的机械动态特性直接决定了它的实际使用性能，所以对可动微结构的机械动态特性进行测试是十分必要的。与宏观机械结构动态特性测试相似，MEMS微结构的动态测试系统也包括激振、测振和数据处理等三个基本环节。为了实现动态测试，就必须需要使待测微器件处于振动状态从而体现出其动态特性，振动激励环节是实现动态测试的最基本的环节。由于MEMS微器件的尺寸小、谐振频率较高，传统的动态测试中的激励装置已无法应用于MEMS微器件的动态特性测试中。
基于压电陶瓷的底座激励是目前MEMS微器件动态特性测试中应用最广泛的激励方法。该方法一般是将待测微器件直接固定在压电陶瓷上，在压电陶瓷上下电极之间施加交变电压，由于逆压电效应和电致伸缩效应，压电陶瓷会产生相应的运动，从而带动微器件振动。市场上常见的压电陶瓷均为多层粘接的压电堆，所以压电陶瓷能够承受较大的压力，但不能承受拉力，拉力会导致压电陶瓷的损坏，并且压电陶瓷在使用时，对其施压一定的预紧力有利于延长压电陶瓷的使用寿命；另外在压电陶瓷的层与层之间存在剪切力时，同样会对压电陶瓷造成损害。目前所知的基于压电陶瓷的底座激励装置并没有充分考虑以上两点。
由于MEMS微器件的结构尺寸小，通常在亚毫米和微米量级之间，其固有频率较高，传统的直接对结构进行激励的方法已经不再适用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种可用于MEMS动态特性测试、稳定可靠的激励装置，克服压电陶瓷作为激励源使用时所存在的问题。该装置通过结构上的设计减小压电陶瓷安装时所带来的剪切力，同时对压电陶瓷施加一定的预紧力，预紧力可测量，并能够在对MEMS微器件进行动态特性测试时，实时测量压电陶瓷的输出力，便于计算微结构的频响函数。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种用于MEMS微器件动态特性测试的激振装置，主要由底板、压力传感器、下联接块、上联接块、调节垫片、十字弹簧片、微器件、螺钉、压电陶瓷、钢球、套筒和螺钉组成；将待测微器件粘接在顶部的十字弹簧片上，十字弹簧片通过螺钉安装在套筒顶部；压电陶瓷、上联接块、钢球、下联接块、压力传感器安装在套筒内部，压电陶瓷底部粘接在上联接块上，顶部和十字弹簧片接触，调节垫片的厚度，使十字弹簧片产生变形压紧压电陶瓷；上联接块和下联接块之间采用钢球过渡；压力传感器安装在底板上，底板和套筒之间采用螺钉连接。
本发明的有益效果是，
(1)由于采用上联接块，钢球，下联接块的可动底座结构，将面接触力转变为线接触力，有效的减小了压电陶瓷安装时内部产生的剪切力。
(2)通过结构上的设计，由十字弹簧片对压电陶瓷施加一定的预紧力，避免压电陶瓷受到拉力的作用，有效的延长了压电陶瓷的使用寿命。
(3)通过压力传感器，一方面可以测量压电陶瓷受到的预紧力，避免超出压电陶瓷最大可用压力极限，另一方面可以测量压电陶瓷在动态激励过程中的输出力，便于计算微结构的频响函数，进而获得微结构的动态特性参数。
附图说明
附图1为本发明的前视剖面图。
附图2为本发明装置的俯视图。
图中：1底板；2压力传感器，3-下联接块，4-上联接块，5-调节垫片，6-十字弹簧片，7-微器件，8-螺钉，9-压电陶瓷，10-钢球，11-套筒，12-螺钉。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。
如图1和图2所示，待测微器件7采用胶直接粘接在顶部的十字弹簧片上6，胶粘接剂要保证微器件7和十字弹簧片6之间尽可能的刚性连接，十字弹簧片6通过螺钉8安装在套筒11顶部。
压力传感器2、下联接块3、钢球10、上联接块4、压电陶瓷9安装在套筒内部，压电陶瓷9底部通过胶粘接在上联接块4上，顶部和十字弹簧片6接触；通过改变调节垫片5的厚度，使十字弹簧片6变形对压电陶瓷9施压一个轴向的预紧力；
上联接块4和下联接块3之间采用钢球10过渡连接；压力传感器2安装在底板1上，底板1和套筒11之间采用螺钉12连接。
压力传感器2的引线通过套筒11侧壁的接线孔连接到后续的信号处理电路上，采集到的信号送入计算机中。在对压电陶瓷9施压预紧力时，通过压力传感器2对施加的预紧力进行检测，避免超过压电陶瓷9的最大许用压力，造成压电陶瓷9的损坏；在对微器件7进行动态特性测试时，由于压电陶瓷9对微器件7的作用力和对底座的作用力大小相等，方向相反，所以可以通过压力传感器2监测压电陶瓷9对底座的作用力来获得压电陶瓷9对微器件7的激振力。
压电陶瓷9的电源线通过顶部十字弹簧片6和套筒11之间的间隙与外部的压电陶瓷9驱动电源相连，采用正弦周期输入信号和脉冲信号，可分别实现对微器件的扫频激励和冲击激励。
在对微器件7进行动态测试时，由计算机控制压电陶瓷9驱动电源输出驱动信号，由于逆压电效应压电陶瓷9产生振动，并带动粘接在十字弹簧片6上的微器件7振动，采用激光多普勒测振仪对微器件7的动态特性进行提取，采用压力传感器2检测微器件7受到的激振力，求出频响函数，进而求得微结构的动态特性参数。

Claims (1)

1.一种用于MEMS微器件动态特性测试的激振装置，包括底板(1)、压力传感器(2)、下联接块(3)、上联接块(4)、垫片(5)、十字弹簧片(6)、微器件(7)、螺钉(8)、压电陶瓷(9)、钢球(10)、套筒(11)和螺钉(12)；其特征在于：待测的微器件(7)粘接在顶部的十字弹簧片(6)上，十字弹簧片(6)通过螺钉(8)安装在套筒(11)顶部；压电陶瓷(9)、上联接块(4)、钢球(10)、下联接块(3)、压力传感器(2)安装在套筒(11)内部，压电陶瓷(2)底部粘接在上联接块(4)上，顶部和十字弹簧片(6)接触，调节垫片(5)的厚度，使十字弹簧片(6)产生变形压紧压电陶瓷(9)；上联接块(4)和下联接块(3)之间采用钢球(10)过渡；压力传感器(2)安装在底板(1)上，底板(1)和套筒(11)之间采用螺钉(12)连接。
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