CN106430086B - 一种可在水中对mems微结构进行激励的聚焦激波激励装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可在水中对MEMS微结构进行激励的聚焦激波激励装置，包括设在基板上的支座和椭球腔体，椭球腔体由下腔体和上腔体连接而成且内腔形成多半个椭球面；在下腔体内设有安装座，在安装座上端设有二个针电极；二个针电极针尖位于椭球面第一焦点处的横截面上；在支座上通过手动三轴位移台安装微结构单元，微结构单元位于椭球面的第二焦点处；针电极分别与高压电容的两极电联接，针电极针尖之间距离小于高压电容充分充电后在水中的最大空气击穿间隙；高压电容两极分别电联接至高压电源正负极。该装置不仅能够实现在水中对MEMS微结构进行激励，而且能够避免底座结构的振动响应对测试结果的干扰，实现了对微结构的非接触式激励，激励效果好。

Description

一种可在水中对MEMS微结构进行激励的聚焦激波激励装置

技术领域

本发明属于微型机械电子系统技术领域，特别涉及一种可在水中对MEMS微结构进行激励的聚焦激波激励装置。

背景技术

由于MEMS微器件具有成本低、体积小和重量轻等优点，使其在汽车、航空航天、信息通讯、生物化学、医疗、自动控制和国防等诸多领域都有着广泛的应用前景。对于很多MEMS器件来说，其内部微结构的微小位移和微小变形是器件功能实现的基础，因此对这些微结构的振幅、固有频率、阻尼比等动态特性参数进行精确测试已经成为开发MEMS产品的重要内容。此外，对MEMS微结构的动态特性测试需要考虑到其实际应用时的工作环境，比如高温环境、低温环境、高加速度环境、腐蚀性气体环境、液体环境、真空环境等。由于很多MEMS传感器和执行器是在水中进行工作的，因此，如何测试MEMS微结构在水中工作时的动态特性成为国内外研究人员关注的焦点。

为了测试微结构的动态特性参数，首先需要使微结构产生振动，也就是需要对微结构进行激励。由于MEMS微结构具有尺寸小、重量轻和固有频率高等特点，传统机械模态测试中的激励方法和激励装置无法被应用在MEMS微结构的振动激励当中。近二十年来，国内外的研究人员针对MEMS微结构的振动激励方法进行了大量的探索，研究出了一些可用于MEMS微结构的激励方法以及相应的激励装置。其中，佘东生等在《基于激波的MEMS微结构底座冲击激励方法研究》一文中介绍了一种基于激波的底座激励装置，该装置具有激励带宽大，适用范围广等优点，具备很好的应用潜力。不过该装置的工作原理是利用针电极和板电极在空气中进行放电所产生的激波对微结构进行激励的，因此无法应用在水中对微结构进行激励，此外，该装置使用了底座激励的方式对微结构进行激励，因此当采用非接触式的光学测振方法对微结构的动态特性进行测试时，所获得的振动响应信号里不可避免地会包含底座结构的振动响应，这会使获取微结构的动态特性参数变得十分困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可在水中对MEMS微结构进行激励的聚焦激波激励装置，该装置不仅能够实现在水中对MEMS微结构进行激励，而且能够避免底座结构的振动响应对测试结果的干扰，实现了对MEMS微结构的非接触式激励，激励效果好，便于水中测试MEMS微结构的动态特性参数。

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：

一种可在水中对MEMS微结构进行激励的聚焦激波激励装置，包括基板，在基板上设有支座和用于盛装水的椭球腔体，所述椭球腔体是由下腔体和上腔体密封连接而成，所述上腔体上端敞口使椭球腔体的内腔形成竖直布置的多半个椭球面，该椭球面的第一焦点位于下腔体内，第二焦点位于上腔体内；

在下腔体底部的中心孔内密封连接有支撑座，支撑座上端插入到下腔体内，在支撑座上端连接有连接套，在连接套上通过螺纹连接有安装座，在安装座上端轴向对称设有二个斜孔，二个斜孔的轴线在安装座上方相交，在二个斜孔内分别设有外套绝缘套的针电极；所述安装座的轴线垂直于所述椭球面第一焦点处的横截面且穿过椭球面的第一焦点，二个针电极的针尖位于所述椭球面第一焦点处的横截面上；

在所述支座上设有手动三轴位移台，在手动三轴位移台的Z轴溜板上通过一个悬垂吊架安装有微结构单元，微结构单元插入到上腔体内且位于椭球面的第二焦点处；该微结构单元包括与悬垂吊架下端连接的固定板，在固定板的中心设有阶梯状安装孔，在安装孔内可拆卸安装有微结构安装板，在微结构安装板上设有MEMS微结构；

二个针电极分别与高压电容的两极电联接，在高压电容与一个针电极之间设有第一空气开关，二个针电极的针尖之间的距离小于高压电容充分充电后在水中的最大击穿间隙；所述高压电容的两极分别电联接至高压电源的正负极，并通过第二空气开关控制通断。

作为进一步优选，所述绝缘套为陶瓷管并通过顶丝固定在二个斜孔内。

作为进一步优选，在连接套内设有压力弹簧，压力弹簧上端顶在安装座的螺孔内底部。

作为进一步优选，所述微结构安装板通过圆周均布的螺钉固定在安装孔内阶梯处的环形平面上，在微结构安装板上设有与所述安装孔底部小孔相对应的通孔，MEMS微结构粘接在微结构安装板上。

作为进一步优选，所述下腔体底部的中心孔为阶梯状，所述支撑座外缘为阶梯状且通过圆周均布的螺钉固定在下腔体底部的中心孔内，在支撑座上的阶梯卡沿与下腔体中心孔的内阶梯之间设有第一密封圈。

作为进一步优选，所述下腔体和上腔体相互插接并通过螺钉连接，在下腔体上端与上腔体下端的内阶梯之间设有第二密封圈。

作为进一步优选，在安装座中部沿径向设有一个径向通孔，所述二个斜孔后端分别与径向通孔连通，以便于加工斜孔和安装导线。

作为进一步优选，所述二个斜孔的轴线夹角为60度。

作为进一步优选，所述悬垂吊架是由固定座、横杆和竖杆依次连接而成，固定座固定在Z轴溜板上，竖杆下端安装微结构单元。

本发明的有益效果是：由于椭球腔体的内腔为多半个椭球面，该椭球面的第一焦点位于下腔体内，微结构单元位于椭球面的第二焦点处，二个针电极的针尖位于下腔体内所述椭球面第一焦点处的横截面上，二个针电极的针尖之间的距离小于高压电容充分充电后在水中的最大击穿间隙，因此能够实现通过两个针电极在水中进行放电，并使用椭球腔体的椭球面对放电所产生的激波进行聚焦，利用聚焦后的激波对处于椭球面第二焦点处的MEMS微结构进行冲击激励，一方面，解决了在水中对MEMS微结构进行激励的难题，能够实现在水中对MEMS微结构进行激励；另一方面，在结构设计上取消了弹性底座结构，通过腔体内椭球面的聚焦使激波直接作用到MEMS微结构上，因此当采用非接触式的光学测振方法对MEMS微结构的动态特性进行测试时，所获得的振动响应信号里不会包含底座结构的振动响应，使获取MEMS微结构的动态特性参数变得更加容易，实现了对MEMS微结构的非接触式激励；此外，激波在聚焦后的能量更集中，大大提高了激励装置的激振能力。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图。

图2是微结构单元的立体结构图。

图3是微结构单元的结构剖视图。

图4是椭球腔体的俯视图。

图5是图4的A-A剖视图。

图6是本发明的电路方框图。

图中：基板1，椭球腔体2，下腔体201，上腔体202，椭球面203，微结构单元3，竖杆4，横杆5，Z轴溜板6，手动三轴位移台7，支座8，固定板9，安装孔901，连接孔902，微结构安装板10，MEMS微结构11，安装座12，径向通孔1201，绝缘套13，第二密封圈14，针电极15，压力弹簧16，第一密封圈17，支撑座18，连接套19，第一空气开关20，第二空气开关21，高压电容22，高压电源23。

具体实施方式

如图1～图5所示，本发明涉及的一种可在水中对MEMS微结构进行激励的聚焦激波激励装置，包括基板1，在基板1上固定有支座8和用于盛装水的椭球腔体2，所述椭球腔体2是由下腔体201和上腔体202相互密封插接并通过螺钉连接而成，所述上腔体202上端敞口使椭球腔体2的内腔形成竖直布置的多半个椭球面203，该椭球面203的第一焦点位于下腔体201内，第二焦点位于上腔体202内；在下腔体201上端与上腔体202下端的内阶梯之间设有第二密封圈14。

在下腔体底部的中心孔内密封连接有支撑座18，支撑座18上端插入到下腔体内，在支撑座18上端通过螺钉连接有连接套19，在连接套19上通过螺纹连接有安装座12，在安装座12上端轴向对称设有二个斜孔，二个斜孔的轴线在安装座12上方相交，在二个斜孔内分别设有外套绝缘套13的针电极15；所述安装座12的轴线垂直于所述椭球面第一焦点处的横截面且穿过椭球面的第一焦点，二个针电极15的针尖位于所述椭球面第一焦点处的横截面上。所述绝缘套13为陶瓷管并通过顶丝固定在二个斜孔内。在安装座12中部沿径向设有一个径向通孔1201，所述二个斜孔后端分别与径向通孔1201连通，以便于加工斜孔和安装导线。在所述连接套19内设有压力弹簧16，压力弹簧上端顶在安装座12的螺孔内底部。所述二个斜孔的轴线夹角优选为60度。

所述下腔体底部的中心孔为阶梯状，所述支撑座18外缘为阶梯状且通过圆周均布在其下端的螺钉紧密配合固定在下腔体底部的中心孔内，在支撑座18上的阶梯卡沿与下腔体中心孔的内阶梯之间夹设有第一密封圈17。

所述支座8是由固定在基板上的四根支柱和固定在四根支柱上端的支撑板构成，在支座8的支撑板上固定有手动三轴位移台7，在手动三轴位移台7的Z轴溜板6上通过一个悬垂吊架安装有微结构单元3，所述悬垂吊架是由固定座、横杆5和竖杆4依次固定连接而成，固定座通过螺钉固定在Z轴溜板6上，竖杆4下端通过螺钉安装所述微结构单元3。

所述微结构单元3插入到上腔体内且位于椭球面的第二焦点处；该微结构单元包括与悬垂吊架的竖杆4下端连接的固定板9，在固定板9的中心设有阶梯状安装孔901并设有一个偏心布置的连接孔902，在安装孔901内可拆卸安装有微结构安装板10，微结构安装板10通过圆周均布的螺钉固定在安装孔901内阶梯处的环形平面上，在微结构安装板10上设有与所述安装孔901底部小孔相对应的通孔，在微结构安装板10上粘接有MEMS微结构11；所述固定板9通过设在连接孔902内的螺钉与竖杆连接。

如图6所示，该激波激励装置还设有高压电容22和高压电源23，二个针电极15分别与高压电容22的两极通过导线电联接，二个针电极15的针尖之间的距离小于高压电容22充分充电后在水中的最大击穿间隙，在高压电容22与一个针电极15之间设有第一空气开关20；所述高压电容22的两极分别与高压电源23的正负极通过导线电联接，并通过第二空气开关21控制通断。

工作时，首先将第一空气开关和第二空气开关全部置于断开状态，调节安装座12使二个针电极15的针尖位于所述椭球面第一焦点处的横截面上；其次，由上腔体上口向椭球腔体内注水，并调节手动三轴位移台7使MEMS微结构11处于水面下方，且位于上腔体内椭球面的第二焦点处；然后，闭合第二空气开关，使用高压电源23为高压电容22充电，当充电完成后再断开第二空气开关；最后，闭合第一空气开关，由于二个针电极15的针尖之间的距离满足当前充电电压下水被击穿的条件，二个针电极15针尖之间的间隙被击穿，完成放电并产生激波，激波由椭球腔体内的椭球面进行聚焦，对MEMS微结构11进行非接触式的冲击激励。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (9)

1.一种可在水中对MEMS微结构进行激励的聚焦激波激励装置，包括基板，其特征是：在基板上设有支座和用于盛装水的椭球腔体，所述椭球腔体是由下腔体和上腔体密封连接而成，所述上腔体上端敞口使椭球腔体的内腔形成竖直布置的多半个椭球面，该椭球面的第一焦点位于下腔体内，第二焦点位于上腔体内；

在下腔体底部的中心孔内密封连接有支撑座，支撑座上端插入到下腔体内，在支撑座上端连接有连接套，在连接套上通过螺纹连接有安装座，在安装座上端轴向对称设有二个斜孔，二个斜孔的轴线在安装座上方相交，在二个斜孔内分别设有外套绝缘套的针电极；所述安装座的轴线垂直于所述椭球面第一焦点处的横截面且穿过椭球面的第一焦点，二个针电极的针尖位于所述椭球面第一焦点处的横截面上；

在所述支座上设有手动三轴位移台，在手动三轴位移台的Z轴溜板上通过一个悬垂吊架安装有微结构单元，微结构单元插入到上腔体内且位于椭球面的第二焦点处；该微结构单元包括与悬垂吊架下端连接的固定板，在固定板的中心设有阶梯状安装孔，在安装孔内可拆卸安装有微结构安装板，在微结构安装板上设有MEMS微结构；

二个针电极分别与高压电容的两极电联接，在高压电容与一个针电极之间设有第一空气开关，二个针电极的针尖之间的距离小于高压电容充分充电后在水中的最大击穿间隙；所述高压电容的两极分别电联接至高压电源的正负极，并通过第二空气开关控制通断。

2.根据权利要求1所述的一种可在水中对MEMS微结构进行激励的聚焦激波激励装置，其特征是：所述绝缘套为陶瓷管并通过顶丝固定在二个斜孔内。

3.根据权利要求1所述的一种可在水中对MEMS微结构进行激励的聚焦激波激励装置，其特征是：在连接套内设有压力弹簧，压力弹簧上端顶在安装座的螺孔内底部。

4.根据权利要求1所述的一种可在水中对MEMS微结构进行激励的聚焦激波激励装置，其特征是：所述微结构安装板通过圆周均布的螺钉固定在安装孔内阶梯处的环形平面上，在微结构安装板上设有与所述安装孔底部小孔相对应的通孔，MEMS微结构粘接在微结构安装板上。

5.根据权利要求1所述的一种可在水中对MEMS微结构进行激励的聚焦激波激励装置，其特征是：所述下腔体底部的中心孔为阶梯状，所述支撑座外缘为阶梯状且通过圆周均布的螺钉固定在下腔体底部的中心孔内，在支撑座上的阶梯卡沿与下腔体中心孔的内阶梯之间设有第一密封圈。

6.根据权利要求1或5所述的一种可在水中对MEMS微结构进行激励的聚焦激波激励装置，其特征是：所述下腔体和上腔体相互插接并通过螺钉连接，在下腔体上端与上腔体下端的内阶梯之间设有第二密封圈。

7.根据权利要求1～3任一项所述的一种可在水中对MEMS微结构进行激励的聚焦激波激励装置，其特征是：在安装座中部沿径向设有一个径向通孔，所述二个斜孔后端分别与径向通孔连通，以便于加工斜孔和安装导线。

8.根据权利要求7所述的一种可在水中对MEMS微结构进行激励的聚焦激波激励装置，其特征是：所述二个斜孔的轴线夹角为60度。

9.根据权利要求1或4所述的一种可在水中对MEMS微结构进行激励的聚焦激波激励装置，其特征是：所述悬垂吊架是由固定座、横杆和竖杆依次连接而成，固定座固定在Z轴溜板上，竖杆下端安装微结构单元。