CN109682558B - 一种动态特性测试的激波聚焦激励装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

一种动态特性测试的激波聚焦激励装置及其工作方法，属于微型机械电子技术领域。该装置包括筒体、微结构激励单元和光加热单元，微结构激励单元中设有半椭球腔的激波聚焦腔体，在激波聚焦腔体两个相对的侧表面上通过陶瓷管套装有针电极，针电极的针尖均位于半椭球腔的腔体内焦点附近，且两针电极针尖之间的距离为0.5‑1.0mm。筒体的顶部设有四个均布的光加热单元，每个光加热单元中使用四个遮光板，使由光加热单元发出的平行光仅能照射在MEMS微结构上；该装置可以实现MEMS微结构整体的同时加热，确保了微结构表面的温度分布均匀，降低了微结构表面的温度梯度，大幅提高了高温环境下微结构动态特性参数测试的准确性。

Description

一种动态特性测试的激波聚焦激励装置及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种动态特性测试的激波聚焦激励装置及其工作方法，属于微型机械电子技术领域。

背景技术

由于MEMS微器件具有成本低、体积小、重量轻、集成度高和智能化程度高等一系列特点，目前已经在汽车、航空航天、信息通讯、生物化学、医疗、自动控制、消费品及国防等很多领域都得到广泛的应用。在设计和开发MEMS时，由于系统功能主要是通过微结构的微小位移和变形实现，需要测量微机械部件的动态性能，因此对MEMS的机械运动参数如位移、速度、振幅、频率和振动模态等进行精确测量已经成为开发MEMS的重要内容。随着MEMS产品应用领域的不断拓展，对其动态机械特性的测试和研究不能够仅局限在常态环境下，而是需要结合实际的使用环境，比如高温环境，测试其在高温环境影响下的动态特性，从而能够对产品的稳定性和可靠性进行评估，对器件在设计、制作工艺的改进、以及器件的封装等方面起到指导作用，还可以降低研发成本，减少开发时间。

为了测试微结构在高温环境下的动态特性参数，一方面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。近三十年来，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，其中基于压电陶瓷的底座激励方法能够很好的实现对微结构的激励。

另一方面，就是需要对微结构进行升温，也就是对其进行加热。公开号为CN206074210U的中国实用新型专利公开了一种用于MEMS微结构动态特性测试的高温环境加载装置，在该装置中采用电加热棒作为热源，通过热传导的方法对微结构进行加热；公开号为CN1666952A的中国发明专利公开了一种MEMS圆片或器件的动态测试加载装置，在该装置中采用电加热板作为热源，通过热传导的方法对MEMS圆片进行加热；在《基于激波的MEMS微结构底座冲击激励方法研究》中介绍了一种可加载高温环境的MEMS微结构激波激励装置，在该装置中采用电加热棒作为热源，通过热传导的方法对MEMS微结构进行加热。在采用上述热传导的加热方式对微结构进行加热时，由于热能是经由微结构基底再传递到微结构上的，因此微结构上的温度场分布十分不均匀，微结构上距离基底远端的温度要低于距离基底近端处的温度，根据F. Shen等在《Thermal effects on coated resonantmicrocantilevers》中的研究结果，当微结构上的温度场分布不均匀时，在高温环境下测试微结构动态特性参数的准确性将会大幅降低。因此，现有技术中采用热传导对微结构进行加热的方式具有很大的缺点。

发明内容

本发明提供一种动态特性测试的激波聚焦激励装置及其工作方法，该装置能够实现对MEMS微结构加载高温环境，并对处于高温状态下的MEMS微结构进行激励，同时确保微结构表面温度分布均匀，降低微结构表面的温度梯度，提高高温环境下MEMS微结构动态特性参数测试结果的准确性。

本发明采用的技术方案是：一种动态特性测试的激波聚焦激励装置，包括筒体、光加热单元和微结构激励单元，所述筒体的底板上设有微结构激励单元，所述微结构激励单元包括第一手动三轴位移台和第二手动三轴位移台，第一手动三轴位移台的溜板上安装有第一连接板，在第一连接板顶面中心设有阶梯状安装孔，在安装孔内的环形阶梯处安装有微结构安装板，在微结构安装板顶部中心处粘接有MEMS微结构；在第二手动三轴位移台的溜板上安装有第二连接板，在第二连接板底部中心安装有激波聚焦腔体，在激波聚焦腔体上端面设有半椭球腔，所述半椭球腔的开口处截面直径与第二连接板中心孔直径相同，在激波聚焦腔体两个相对的侧表面上分别通过陶瓷管套装有针电极，每个针电极的针尖均位于半椭球腔的腔体内焦点附近，且两针电极针尖之间的距离为0.5-1.0mm，所述两个针电极分别与高压电容的两极电联接，在其中一个针电极和高压电容之间设有第一开关控制通断；所述高压电容的两极分别电联接至高压电源的正负极，并通过第二开关控制通断；所述筒体的顶部安装有四个圆周均布的光加热单元，每个光加热单元依次通过安装板、销轴和固定板与筒体相连接，光加热单元绕销轴转动，在安装板与销轴套装部的螺纹孔内设有紧定螺钉；所述光加热单元包括螺纹连接的前套筒和后套筒，在后套筒尾部中心孔内安装有平行光源；所述前套筒内部设有台阶孔，在前套筒前端设有第一遮光板、第二遮光板、第三遮光板和第四遮光板，四个遮光板在前套筒前端面上的投影呈圆周均布，其中第一遮光板和第四遮光板对称布置在靠近前套筒前端处，第二遮光板和第三遮光板对称布置在远离前套筒前端处；每个遮光板上均安装有导向轴，导向轴穿过前套筒前端面的突出部并连接在推板上，在推板中心处设有调节旋钮，调节旋钮穿过推板的中心孔并螺纹连接在前套筒前端面的突出部上，在推板和前套筒前端面的突出部之间设有复位弹簧，复位弹簧套装在用于调节遮光板位置的调节旋钮上。

一种用于高温环境下MEMS微结构动态特性测试的激波聚焦激励装置的工作方法，首先，转动安装板，旋拧前套筒，并调节推板，同时调节第一手动三轴位移台，使光加热单元发射出的平行光仅能照射在MEMS微结构上；然后，将第一开关和第二开关全部置于断开状态，调节第二手动三轴位移台，使MEMS微结构位于半椭球腔的腔体外焦点处；其次，使用光加热单元对MEMS微结构进行加热，在红外测温仪器的协助下将MEMS微结构加热到目标温度后，调节紧定螺钉使光加热单元绕销轴转动，分别让四个光加热单元移动到靠近筒体边缘处，让出测试光路；再次，闭合第二开关，使用高压电源为高压电容充电，当充电完成后再断开第二开关；最后，闭合第一开关，由于两针电极之间的空气间隙被击穿，完成放电并产生激波，实现对MEMS微结构的聚焦激波激励，同时使用非接触的光学测振仪器获取MEMS微结构的振动响应，从而获取MEMS微结构在该目标温度下的动态特性参数。

本发明的有益效果是：

1、由于在装置中使用光辐射的加热方式，因此可以实现对MEMS微结构整体的同时加热，确保了微结构表面的温度分布均匀，降低了微结构表面的温度梯度，大幅提高了高温环境下微结构动态特性参数测试的准确性。

2、由于在光加热单元中使用了四个遮光板，四个遮光板在光路垂直方向上围成一个矩形间隙，使得由每个光加热单元发出的平行光仅能通过矩形间隙照射在MEMS微结构上，通过调节光线的入射角度，可以使平行光仅能照射到MEMS微结构上，避免了激励装置中不耐高温零件的不必要的温升，提高了激励装置可靠性，拓展了装置的适用范围。

3、由于在装置中采用高压放电来产生聚焦激波，提高了激励装置的可靠性和稳定性。

附图说明

图1是一种动态特性测试的激波聚焦激励装置的立体结构示意图。

图2是一种动态特性测试的激波聚焦激励装置的俯视图。

图3是光加热单元的立体结构示意图。

图4是光加热单元的前视图。

图5是图4的A-A剖视图。

图6是微结构激励单元的立体结构示意图。

图7是微结构激励单元的俯视图。

图8是图7的B-B剖视图。

图9是电路框图。

图中：1、筒体，2、固定板，3、安装板，4、光加热单元，401、后套筒，402、前套筒，403、轴套，404、调节旋钮，405、推板，406、导向轴，407、复位弹簧，408、第一遮光板，409、第二遮光板，410、第三遮光板，411、第四遮光板，412、平行光源，5、微结构激励单元，5、微结构激励单元，501、第一手动三轴位移台，502、第二手动三轴位移台，503、第一连接板，504、第二连接板，505、MEMS微结构，506、微结构安装板，507、激波聚焦腔体，5071、半椭球腔，508、陶瓷管，509、针电极，6、底板，7、销轴，8、 紧定螺钉，9、第一开关，10、高压电容，11、第二开关，12、高压电源。

具体实施方式

图1、2示出了一种动态特性测试的激波聚焦激励装置的立体结构图。这种动态特性测试的激波聚焦激励装置，包括筒体1、光加热单元4和微结构激励单元5，筒体1的底板6上设有微结构激励单元5，筒体1的顶部安装有四个圆周均布的光加热单元4，每个光加热单元4依次通过安装板3、销轴7和固定板2与筒体1相连接，光加热单元4绕销轴7转动，在安装板3与销轴7套装部的螺纹孔内设有紧定螺钉8。

图3、4、5示出了光加热单元的结构图。光加热单元4包括螺纹连接的前套筒402和后套筒401，在后套筒401尾部中心孔内安装有平行光源412；所述前套筒402内部设有台阶孔，在前套筒402前端设有第一遮光板408、第二遮光板409、第三遮光板410和第四遮光板411，四个遮光板在前套筒402前端面上的投影呈圆周均布，其中第一遮光板408和第四遮光板411对称布置在靠近前套筒402前端处，第二遮光板409和第三遮光板410对称布置在远离前套筒402前端处；每个遮光板上均安装有导向轴406，导向轴406穿过前套筒402前端面的突出部并连接在推板405上，在推板405中心处设有调节旋钮404，调节旋钮404穿过推板405的中心孔并螺纹连接在前套筒402前端面的突出部上，在推板405和前套筒402前端面的突出部之间设有复位弹簧407，复位弹簧407套装在用于调节遮光板位置的调节旋钮404上。

图6、7、8示出了微结构激励单元的结构图。微结构激励单元5包括第一手动三轴位移台501和第二手动三轴位移台502，第一手动三轴位移台501的溜板上安装有第一连接板503，在第一连接板503顶面中心设有阶梯状安装孔，在安装孔内的环形阶梯处安装有微结构安装板506，在微结构安装板506顶部中心处粘接有MEMS微结构505；在第二手动三轴位移台502的溜板上安装有第二连接板504，在第二连接板504底部中心安装有激波聚焦腔体507，在激波聚焦腔体507上端面设有半椭球腔5071，半椭球腔5071的开口处截面直径与第二连接板504中心孔直径相同，在激波聚焦腔体507两个相对的侧表面上分别通过陶瓷管508套装有针电极509，每个针电极509的针尖均位于半椭球腔5071的腔体内焦点附近，且两针电极509针尖之间的距离为0.5-1.0mm。

图9示出了电路框图。两个针电极509分别与高压电容10的两极电联接，在其中一个针电极509和高压电容10之间设有第一开关9控制通断。高压电容10的两极分别电联接至高压电源12的正负极，并通过第二开关11控制通断。

一种动态特性测试的激波聚焦激励装置的工作方法：首先，转动安装板3，旋拧前套筒402，并调节推板405，同时调节第一手动三轴位移台501，使光加热单元4发射出的平行光仅能照射在MEMS微结构505上；然后，将第一开关9和第二开关11全部置于断开状态，调节第二手动三轴位移台502，使MEMS微结构505位于半椭球腔5071的腔体外焦点处；其次，使用光加热单元4对MEMS微结构505进行加热，在红外测温仪器的协助下将MEMS微结构505加热到目标温度后，调节紧定螺钉8使光加热单元4绕销轴7转动，分别让四个光加热单元4移动到靠近筒体1边缘处，让出测试光路；再次，闭合第二开关11，使用高压电源12为高压电容10充电，当充电完成后再断开第二开关11；最后，闭合第一开关9，由于两针电极509之间的空气间隙被击穿，完成放电并产生激波，实现对MEMS微结构505的聚焦激波激励，同时使用非接触的光学测振仪器获取MEMS微结构505的振动响应，从而获取MEMS微结构505在该目标温度下的动态特性参数。

Claims (2)

1.一种动态特性测试的激波聚焦激励装置，所述激波聚焦激励装置包括筒体（1）、光加热单元（4）和微结构激励单元（5），其特征是：所述筒体（1）的底板（6）上设有微结构激励单元（5），所述微结构激励单元（5）包括第一手动三轴位移台（501）和第二手动三轴位移台（502），第一手动三轴位移台（501）的溜板上安装有第一连接板（503），在第一连接板（503）顶面中心设有阶梯状安装孔，在安装孔内的环形阶梯处安装有微结构安装板（506），在微结构安装板（506）顶部中心处粘接有MEMS微结构（505）；在第二手动三轴位移台（502）的溜板上安装有第二连接板（504），在第二连接板（504）底部中心安装有激波聚焦腔体（507），在激波聚焦腔体（507）上端面设有半椭球腔（5071），所述半椭球腔（5071）的开口处截面直径与第二连接板（504）中心孔直径相同，在激波聚焦腔体（507）两个相对的侧表面上分别通过陶瓷管（508）套装有针电极（509），每个针电极（509）的针尖均位于半椭球腔（5071）的腔体内焦点附近，且两针电极（509）针尖之间的距离为0.5-1.0mm，所述两个针电极（509）分别与高压电容（10）的两极电联接，在其中一个针电极（509）和高压电容（10）之间设有第一开关（9）控制通断；所述高压电容（10）的两极分别电联接至高压电源（12）的正负极，并通过第二开关（11）控制通断；

所述筒体（1）的顶部安装有四个圆周均布的光加热单元（4），每个光加热单元（4）依次通过安装板（3）、销轴（7）和固定板（2）与筒体（1）相连接，光加热单元（4）绕销轴（7）转动，在安装板（3）与销轴（7）套装部的螺纹孔内设有紧定螺钉（8）；

所述光加热单元（4）包括螺纹连接的前套筒（402）和后套筒（401），在后套筒（401）尾部中心孔内安装有平行光源（412）；所述前套筒（402）内部设有台阶孔，在前套筒（402）前端设有第一遮光板（408）、第二遮光板（409）、第三遮光板（410）和第四遮光板（411），四个遮光板在前套筒（402）前端面上的投影呈圆周均布，其中第一遮光板（408）和第四遮光板（411）对称布置在靠近前套筒（402）前端处，第二遮光板（409）和第三遮光板（410）对称布置在远离前套筒（402）前端处；每个遮光板上均安装有导向轴（406），导向轴（406）穿过前套筒（402）前端面的突出部并连接在推板（405）上，在推板（405）中心处设有调节旋钮（404），调节旋钮（404）穿过推板（405）的中心孔并螺纹连接在前套筒（402）前端面的突出部上，在推板（405）和前套筒（402）前端面的突出部之间设有复位弹簧（407），复位弹簧（407）套装在用于调节遮光板位置的调节旋钮（404）上。

2.根据权利要求1所述的一种动态特性测试的激波聚焦激励装置的工作方法，其特征是：首先，转动安装板（3），旋拧前套筒（402），并调节推板（405），同时调节第一手动三轴位移台（501），使光加热单元（4）发射出的平行光仅能照射在MEMS微结构（505）上；然后，将第一开关（9）和第二开关（11）全部置于断开状态，调节第二手动三轴位移台（502），使MEMS微结构（505）位于半椭球腔（5071）的腔体外焦点处；其次，使用光加热单元（4）对MEMS微结构（505）进行加热，在红外测温仪器的协助下将MEMS微结构（505）加热到目标温度后，调节紧定螺钉（8）使光加热单元（4）绕销轴（7）转动，分别让四个光加热单元（4）移动到靠近筒体（1）边缘处，让出测试光路；再次，闭合第二开关（11），使用高压电源（12）为高压电容（10）充电，当充电完成后再断开第二开关（11）；最后，闭合第一开关（9），由于两针电极（509）之间的空气间隙被击穿，完成放电并产生激波，实现对MEMS微结构（505）的聚焦激波激励，同时使用非接触的光学测振仪器获取MEMS微结构（505）的振动响应，从而获取MEMS微结构（505）在该目标温度下的动态特性参数。

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