CN106629585B - 一种基于激波的mems微结构非接触式激励装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激波的MEMS微结构非接触式激励装置，包括基板、手动三轴位移台和支座，在手动三轴位移台上设有微结构单元；在支座上端设有内腔为半个椭球面的椭球腔体，在椭球腔体一侧设有第一针电极单元，其第一针电极针尖指向第一焦点；微结构单元位于所述椭球面的第二焦点处；在椭球腔体上另一侧设有第二针电极单元，其第二针电极针尖指向椭球面的第一焦点；第一、第二针电极分别与高压电容的两极电联接，在高压电容与第一针电极之间设有第一空气开关；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。该装置能够避免底座结构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。

Description

一种基于激波的MEMS微结构非接触式激励装置

技术领域

本发明属于微型机械电子系统技术领域，特别涉及一种基于激波的MEMS微结构非接触式激励装置。

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。

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。不过该装置的主要缺点在于：该装置是使用弹性底座激励的方式对微结构进行激励的，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基于激波的MEMS微结构非接触式激励装置，该装置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，便于测试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：

一种基于激波的MEMS微结构非接触式激励装置，包括基板，在基板上设有手动三轴位移台和支座，在手动三轴位移台的Z轴溜板上设有微结构单元；所述微结构单元包括一个安装套，在安装套内设有阶梯状第一安装孔，在第一安装孔内底部通过微结构安装板安装有MEMS微结构；在第一安装孔外端口处通过压板压装有光学玻璃板；

在支座上端设有椭球腔体，椭球腔体的内腔为半个椭球面，该椭球面的第一焦点位于椭球腔体内；在椭球腔体一侧设有第一针电极单元，第一针电极单元包括分别固定在椭球腔体上且依次嵌套的轴套、弹簧安装座和外套，在外套内设有第一滑动套，第一滑动套外缘为阶梯轴状且前端由弹簧安装座和轴套的中心孔穿出并插入到椭球腔体内腔，在第一滑动套前端中心孔内设有外部套有绝缘套的第一针电极，该第一针电极的针尖位于椭球面第一焦点的横截面上且指向椭球面的第一焦点；在弹簧安装座外端止口与第一滑动套之间设有复位弹簧，在外套中心处通过螺纹连接有调节螺杆，调节螺杆前端顶靠在第一滑动套外端，用于调节第一针电极的轴向位置；所述微结构单元位于椭球腔体内腔开口一侧椭球面的第二焦点处；

在椭球腔体上对应微结构单元的另一侧设有第二针电极单元，第二针电极单元包括一个槽型支架，槽型支架通过其一侧立板固定在椭球腔体上，在槽型支架两侧的立板之间设有平行布置的导向轴和丝杠并在导向轴上套设有传动板，传动板与丝杠之间通过丝母连接，在槽型支架的另一侧立板外侧设有与丝杠同轴连接的步进电机；在传动板中部固定有第二滑动套，第二滑动套前端由所述一侧立板穿出并插入到椭球腔体内腔，在第二滑动套前端中心孔内设有外部套有绝缘套的第二针电极，第二针电极针尖指向椭球面的第一焦点且位于与所述椭球面第一焦点的横截面垂直的纵截面上；

第一针电极和第二针电极分别与高压电容的两极电联接，在高压电容与第一针电极之间设有第一空气开关；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分别固定在第一滑动套前端和第二滑动套前端。

作为进一步优选，所述安装套通过一个水平支座安装在所述Z轴溜板上。

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第一安装孔内底部的环形平面上，在微结构安装板上设有与所述第一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，所述轴套、弹簧安装座和外套分别通过螺钉固定在椭球腔体上，其中轴套外缘为阶梯状且前部插入到设在椭球腔体一侧的第二安装孔内，所述第一滑动套与轴套之间滑动间隙配合。

作为进一步优选，所述调节螺杆为空心结构且与第一滑动套中心孔对应相通，用于穿过连接第一针电极的导线。

作为进一步优选，所述第二滑动套外缘为阶梯轴状且穿过所述传动板，第二滑动套的大径端通过圆周均布的螺钉固定在传动板上，在所述一侧立板上对应第二滑动套引出处固定有导向套，导向套前端插入到椭球腔体内。

作为进一步优选，所述槽型支架是由两侧的立板通过底部的连接板连接而成。

本发明的有益效果是：由于椭球腔体的内腔为半个椭球面，该椭球面的第一焦点位于椭球腔体内，二个针电极单元的针电极针尖分别指向椭球面的第一焦点，所述微结构单元位于椭球面的第二焦点处，能够实现通过两个针电极进行放电，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，在结构设计上取消了弹性底座结构，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，能够避免底座结构的振动响应对测试结果的干扰；另一方面，激波在经过椭球腔体聚焦后的能量更加集中，大大提高了激励装置的激振能力，激励效果好，便于测试MEMS微结构的动态特性参数。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图。

图2是本发明的俯视图。

图3是本发明的侧视图。

图4是图2的A-A剖视放大图。

图5是本发明第一针电极单元的立体结构图。

图6是本发明第一针电极单元的的结构剖视图。

图7是本发明微结构单元的立体结构图。

图8是本发明微结构单元的主视图。

图9是图8的B-B剖视图。

图10是本发明第二针电极单元的立体结构图。

图11是本发明的电路方框图。

图中：1.基板，2.手动三轴位移台，3.微结构单元，301.安装套，302.螺钉，303.压板，304.光学玻璃板，305.MEMS微结构，306.螺钉，307.微结构安装板，4.支座，5.第一针电极单元，501.调节螺杆，502.外套，503.弹簧安装座，504.轴套，505.顶丝，506.第一滑动套，507.绝缘套，508.第一针电极，509.复位弹簧，6.第二针电极单元,601.连接板，602.立板，603.步进电机，604.丝母，605.导套，606.传动板，607.导向轴，608.绝缘套，609.第二针电极，610.顶丝，611.导向套，612.第二滑动套，613.丝杠，7.椭球腔体，701.椭球面，8.Z轴溜板，9.水平支座，10.底板，11.第一空气开关，12.第二空气开关，13.高压电容，14.高压电源。

具体实施方式

如图1-图3所示，本发明涉及的一种基于激波的MEMS微结构非接触式激励装置，包括基板1，在基板1上设有手动三轴位移台2和支座4，所述手动三轴位移台2安装在一个底板10上，该底板10通过螺钉固定在基板1上。在手动三轴位移台2的Z轴溜板8上设有微结构单元3；

如图7-图9所示，所述微结构单元3包括一个通过水平支座9安装在所述Z轴溜板8上的安装套301，在安装套301内设有阶梯状第一安装孔，在第一安装孔内底部通过微结构安装板307安装有MEMS微结构305；所述微结构安装板307通过圆周均布的螺钉306固定在所述第一安装孔内底部的环形平面上，在微结构安装板307上设有与所述第一安装孔底部小孔相对应的通孔，MEMS微结构305粘接在微结构安装板307上。在第一安装孔外端口处通过压板303压装有光学玻璃板304，光学玻璃板304镶装在所述第一安装孔外端止口内，所述压板303通过圆周均布的螺钉302与安装套301连接。

如图4所示，所述支座4通过螺钉固定在基板1上，在支座4上端支撑并固定有一个椭球腔体7，椭球腔体7的内腔为半个椭球面701，该椭球面701的第一焦点位于椭球腔体7内，第二焦点位于微结构单元3一侧。在椭球腔体7上一侧安装有第一针电极单元5。

如图5和图6所示，第一针电极单元5包括分别通过螺钉固定在椭球腔体7上且依次嵌套的轴套504、弹簧安装座503和外套502，其中轴套504外缘为阶梯状且前部通过间隙配合插入到设在椭球腔体7一侧的第二安装孔内，弹簧安装座503套设于轴套504的大径后端，外套502套装在弹簧安装座503外面。在外套502内设有第一滑动套506，第一滑动套506外缘为阶梯轴状且前端由弹簧安装座503和轴套504的中心孔穿出并插入到椭球腔体7内腔，第一滑动套506与轴套504之间滑动间隙配合。在第一滑动套506前端中心孔内设有外套绝缘套507的第一针电极508，该第一针电极的针尖位于椭球面701第一焦点的横截面上且指向椭球面701的第一焦点；绝缘套507为陶瓷管并通过二个顶丝505固定插接在第一滑动套506前端。在弹簧安装座503外端止口与第一滑动套506之间套设有复位弹簧509，在外套502外端中心孔内通过螺纹连接有调节螺杆501，调节螺杆501前端顶靠在第一滑动套506外端，用于调节第一针电极508的轴向位置。

所述微结构单元3中的MEMS微结构305位于椭球腔体7内腔开口一侧椭球面701的第二焦点处；所述调节螺杆501为空心结构且与第一滑动套506中心孔对应相通，用于穿过连接第一针电极508的导线。

如图10所示，在椭球腔体7上对应微结构单元3的另一侧设有第二针电极单元6，第二针电极单元6包括一个槽型支架，所述槽型支架是由两侧的立板602通过底部的连接板601使用螺钉连接而成。槽型支架通过其一侧立板602固定在椭球腔体7上，在槽型支架两侧的立板602之间设有上下平行布置的导向轴607和丝杠613，所述导向轴607两端通过螺钉固定在两侧的立板602上，丝杠613可旋转地安装在两侧立板602之间。在导向轴607上套设有传动板606，在传动板606上对应导向轴607处固定有与导向轴607滑动配合的导套605，所述丝杠613穿过传动板606下部且与固定在传动板606上的丝母604通过螺纹连接，在槽型支架的另一侧立板602外侧固定有与丝杠613同轴连接的步进电机603。在传动板606中部固定有第二滑动套612，第二滑动套612前端由所述一侧立板602穿出并插入到椭球腔体7内腔，在第二滑动套612前端中心孔内插接有外部套有绝缘套608的第二针电极609，第二针电极609针尖指向所述椭球面701的第一焦点且位于与所述椭球面701第一焦点的横截面垂直的纵截面上。绝缘套608为陶瓷管并通过顶丝610固定插接在第二滑动套612前端。

所述第二滑动套612外缘为阶梯轴状且穿过所述传动板606，第二滑动套612的大径端通过圆周均布的螺钉固定在传动板606上，在所述一侧立板602上对应第二滑动套612引出处固定有导向套611，导向套611前端插入到椭球腔体7内。

如图11所示，该激波激励装置还设有高压电容13和高压电源14，第一针电极508和第二针电极609分别与高压电容13的两极通过导线电联接，在高压电容13与第一针电极508之间设有第一空气开关11；所述高压电容13的两极分别与高压电源14的正负极通过导线电联接，并通过第二空气开关12控制通断。

工作时，首先将第一空气开关11和第二空气开关12全部置于断开状态，调节第一针电极单元5的调节螺杆501，通过调节螺杆501推动第一滑动套506使第一针电极508位于椭球腔体7内椭球面701的第一焦点处；启动步进电机603通过丝杠613带动传动板606直线运动，使第二针电极609的针尖远离椭球腔体7内椭球面701的第一焦点，使第二针电极609和第一针电极508之间的距离大于高压电容13充分充电后的最大空气击穿间隙；其次，调节手动三轴位移台2使MEMS微结构305位于椭球面701第二焦点处；然后，闭合第二空气开关12，使用高压电源14为高压电容13充电，当充电完成后再断开第二空气开关12；最后，闭合第一空气开关11，控制步进电机603使第二针电极609的针尖逐渐接近椭球腔体7内椭球面701的第一焦点，当第一针电极508和第二针电极609的针尖之间的距离满足当前充电电压下的空气击穿条件时，空气间隙被击穿，完成放电并产生激波，通过椭球腔体7的聚焦，激波对处于椭球腔体7内椭球面701第二焦点处的MEMS微结构305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 (8)

1.一种基于激波的MEMS微结构非接触式激励装置，包括基板，其特征是：在基板上设有手动三轴位移台和支座，在手动三轴位移台的Z轴溜板上设有微结构单元；所述微结构单元包括一个安装套，在安装套内设有阶梯状第一安装孔，在第一安装孔内底部通过微结构安装板安装有MEMS微结构；在第一安装孔外端口处通过压板压装有光学玻璃板；

在支座上端设有椭球腔体，椭球腔体的内腔为半个椭球面，该椭球面的第一焦点位于椭球腔体内；在椭球腔体一侧设有第一针电极单元，第一针电极单元包括分别固定在椭球腔体上且依次嵌套的轴套、弹簧安装座和外套，在外套内设有第一滑动套，第一滑动套外缘为阶梯轴状且前端由弹簧安装座和轴套的中心孔穿出并插入到椭球腔体内腔，在第一滑动套前端中心孔内设有外部套有绝缘套的第一针电极，该第一针电极的针尖位于椭球面第一焦点的横截面上且指向椭球面的第一焦点；在弹簧安装座外端止口与第一滑动套之间设有复位弹簧，在外套中心处通过螺纹连接有调节螺杆，调节螺杆前端顶靠在第一滑动套外端，用于调节第一针电极的轴向位置；所述微结构单元位于椭球腔体内腔开口一侧椭球面的第二焦点处；

在椭球腔体上对应微结构单元的另一侧设有第二针电极单元，第二针电极单元包括一个槽型支架，槽型支架通过其一侧立板固定在椭球腔体上，在槽型支架两侧的立板之间设有平行布置的导向轴和丝杠并在导向轴上套设有传动板，传动板与丝杠之间通过丝母连接，在槽型支架的另一侧立板外侧设有与丝杠同轴连接的步进电机；在传动板中部固定有第二滑动套，第二滑动套前端由所述一侧立板穿出并插入到椭球腔体内腔，在第二滑动套前端中心孔内设有外部套有绝缘套的第二针电极，第二针电极针尖指向椭球面的第一焦点且位于与所述椭球面第一焦点的横截面垂直的纵截面上；

第一针电极和第二针电极分别与高压电容的两极电联接，在高压电容与第一针电极之间设有第一空气开关；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所述的一种基于激波的MEMS微结构非接触式激励装置，其特征是：所述绝缘套为陶瓷管并通过顶丝分别固定在第一滑动套前端和第二滑动套前端。

3.根据权利要求1所述的一种基于激波的MEMS微结构非接触式激励装置，其特征是：所述安装套通过一个水平支座安装在所述Z轴溜板上。

4.根据权利要求3所述的一种基于激波的MEMS微结构非接触式激励装置，其特征是：所述微结构安装板通过圆周均布的螺钉固定在第一安装孔内底部的环形平面上，在微结构安装板上设有与所述第一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所述的一种基于激波的MEMS微结构非接触式激励装置，其特征是：所述轴套、弹簧安装座和外套分别通过螺钉固定在椭球腔体上，其中轴套外缘为阶梯状且前部插入到设在椭球腔体一侧的第二安装孔内，所述第一滑动套与轴套之间滑动间隙配合。

6.根据权利要求5所述的一种基于激波的MEMS微结构非接触式激励装置，其特征是：所述调节螺杆为空心结构且与第一滑动套中心孔对应相通，用于穿过连接第一针电极的导线。

7.根据权利要求1所述的一种基于激波的MEMS微结构非接触式激励装置，其特征是：所述第二滑动套外缘为阶梯轴状且穿过所述传动板，第二滑动套的大径端通过圆周均布的螺钉固定在传动板上，在所述一侧立板上对应第二滑动套引出处固定有导向套，导向套前端插入到椭球腔体内。

8.根据权利要求7所述的一种基于激波的MEMS微结构非接触式激励装置，其特征是：所述槽型支架是由两侧的立板通过底部的连接板连接而成。