一种用于MEMS金属微结构动态特性测试的非接触式激波激励装置的制作方法

本发明属于微型机械电子系统技术领域，特别涉及一种用于MEMS金属微结构动态特性测试的非接触式激波激励装置。

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。

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。不过该装置仍然存在着下列缺点：第一，该装置是使用底座激励的方式对微结构进行激励的，因此在采用非接触式的光学测振方法所获得的微结构振动响应信号里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困难；第二，在装置中，进给机构只能手动调节，不能实现自动进给，导致放电操作繁琐且安全性差；第三，在装置中是采用粘接的方式来固定微结构的，一方面会导致连接刚度变差，从而降低了激励装置的激励带宽，另一方面，由于固化后的胶水不易去除，所以若想将微结构从微结构安装板上拆卸下来变得十分困难。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于MEMS金属微结构动态特性测试的非接触式激波激励装置，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金属微结构的非接触式激励，操作简便安全，激励效果好，便于测试金属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：

一种用于MEMS金属微结构动态特性测试的非接触式激波激励装置，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轴溜板上设有针电极单元；所述针电极单元包括用于连接Z轴溜板的直角连接板，在直角连接板上设有二块相互平行的支撑板，在二块支撑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，在其中一块支撑板外侧设有与丝杠同轴连接的步进电机，在传动板上端通过陶瓷管绝缘安装有针电极，针电极指向设置在支座上端的微结构单元；

所述微结构单元包括安装在支座上端的固定套，在固定套内设有阶梯状安装孔，在安装孔内的环形阶梯处绝缘安装有安装板，在安装板下部设有半圆形通孔，在安装板上对应针电极一侧通过微结构压板压装MEMS金属微结构，MEMS金属微结构的振动端凸出微结构压板并悬置于所述半圆形通孔一侧；

所述针电极和安装板分别与高压电容的两极电联接，在针电极和高压电容之间设有第一空气开关控制通断；所述高压电容的两极分别电联接至高压电源的正负极，并通过第二空气开关控制通断。

作为进一步优选，所述手动三轴位移台安装在一个底板上，该底板通过螺钉固定在基板上。

作为进一步优选，所述陶瓷管垂直穿过传动板并通过设在传动板上端的顶丝固定。

作为进一步优选，所述支座为阶梯轴状，其下端为大径端并套设有法兰盘，法兰盘与基板通过螺钉连接并将支座固定在基板上，支座上端与固定套通过螺纹连接。

作为进一步优选，所述安装板通过圆周均布的螺栓固定在安装孔内的环形阶梯处，在每个螺栓上位于安装板与所述安装孔内的环形阶梯之间以及固定套与螺母之间分别套设有陶瓷垫圈，用于实现安装板与固定套之间的电绝缘。

作为进一步优选，所述微结构压板通过多个螺钉固定在安装板上，MEMS金属微结构夹持在微结构压板与安装板之间。

作为进一步优选，在安装板外侧设有一个螺孔，用于固定与高压电容连接的导线。

本发明的有益效果是：

1、由于在该装置中取消了底座结构，将MEMS金属微结构通过微结构压板压装在安装板上并通过安装板与高压电容电联接，即将MEMS金属微结构直接作为一个放电电极来使用，则放电产生的激波可以直接作用到MEMS金属微结构上，避免了底座结构的振动响应对测试结果的干扰，实现了对金属微结构的非接触式激励。

2、由于在手动三轴位移台的Z轴溜板上设有由步进电机驱动位移的针电极单元，因此同时具有手动进给和自动进给两种功能；在激波激励实验的准备阶段，可以使用手动进给的方式调节针电极和MEMS金属微结构的相对位置，在进行激波激励实验时，可以控制步进电机通过自动进给的方式进行放电，这样既保证了能够灵活地调节针电极和MEMS金属微结构之间的相对位置，又保证了在进行放电实验时的安全性，操作简便安全。

3、由于MEMS金属微结构是通过微结构压板采用机械固定的方式固定在安装板上，这种安装结构一方面提供了很好的连接刚度，使激励效果更好，能够保证MEMS金属微结构的动态特性参数测试的准确性；另一方面，使拆除MEMS金属微结构变得更加简单、方便。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图。

图2是本发明的前视图。

图3是图2的右视图。

图4是本发明针电极单元的立体结构图。

图5是本发明微结构单元的立体结构图。

图6是微结构单元的结构示意图。

图7是图6的A-A剖视图。

图8是本发明的电路方框图。

图中：1、基板，2、手动三轴位移台，3、底板，4、螺钉，5、微结构单元，51、固定套，511、安装孔，52、螺栓，53、MEMS金属微结构，54、安装板，541、半圆形通孔，55、陶瓷垫圈，56、螺母，57、螺钉，58、微结构压板，59、陶瓷垫圈，6、针电极单元，601、直角连接板，602、步进电机，603、螺钉，604、螺钉，605、支撑板，606、导向轴，607、丝母，608、螺钉，609、轴套，610、传动板，611、顶丝，612、陶瓷管，613、针电极，614、丝杠，7、法兰盘，8、支座，9、第一空气开关，10、第二空气开关，11、高压电容，12、高压电源。

具体实施方式

如图1-图3所示，本发明涉及的一种用于MEMS金属微结构动态特性测试的非接触式激波激励装置，包括基板1，在基板1上设有手动三轴位移台2和一个支座8，所述手动三轴位移台2安装在一个底板3上，该底板3通过螺钉4固定在基板1上。在手动三轴位移台2的Z轴溜板上安装有针电极单元6。

如图4所示，所述针电极单元6包括通过螺钉固定在Z轴溜板上的L型直角连接板601，在直角连接板601上通过螺钉固定有二块相互平行的支撑板605，在二块支撑板605之间设有上下平行布置的导向轴606和丝杠614并在导向轴606上套设有传动板610，在传动板610上对应导向轴606处镶装有与导向轴606滑动配合的轴套609，导向轴606两端通过螺钉604固定在二块支撑板605上，丝杠614可旋转地安装在二块支撑板605之间，传动板610与丝杠614之间通过由螺钉608固定在传动板610上的丝母607连接，在其中一块支撑板605外侧通过螺钉603固定有与丝杠614同轴连接的步进电机602，在传动板610上端通过陶瓷管612绝缘安装有针电极613，所述陶瓷管612垂直穿过传动板610并通过设在传动板610上端的顶丝611固定。针电极613后部镶装在陶瓷管612内，针电极613前端针尖指向设置在支座8上端的微结构单元5。

如图5-图7所示，所述微结构单元5包括安装在支座8上端的固定套51，所述支座8为阶梯轴状，其下端为大径端并套设有法兰盘7，法兰盘7与基板1通过螺钉连接并将支座8固定在基板1上，支座8上端与设置在固定套51底面上的螺孔通过螺纹连接。在固定套51内设有阶梯状安装孔511，在安装孔511内的环形阶梯处绝缘安装有安装板54，在安装板54下部设有半圆形通孔541，在安装板54上对应针电极613一侧通过微结构压板58压装MEMS金属微结构53，所述微结构压板58通过多个螺钉57固定在安装板54上，MEMS金属微结构53夹持在微结构压板58与安装板54之间，MEMS金属微结构53的振动端凸出微结构压板58并悬置于所述半圆形通孔541一侧。

所述安装板54通过圆周均布的螺栓52固定在安装孔511内的环形阶梯处，在每个螺栓52上位于安装板54与所述安装孔511内的环形阶梯之间以及固定套51与螺母56之间分别套设有陶瓷垫圈59和陶瓷垫圈55，用于实现安装板54与固定套51之间的电绝缘。在安装板54外侧设有一个螺孔，用于固定与高压电容11连接的导线。

如图8所示，该激波激励装置还设有高压电容11和高压电源12，所述针电极613和安装板54分别与高压电容11的两极通过导线电联接，在针电极613和高压电容11之间设有第一空气开关9控制通断；所述高压电容11的两极分别电联接至高压电源12的正负极，并通过第二空气开关10控制通断。

使用时，首先将第一空气开关9和第二空气开关10全部置于断开状态，调节手动三轴位移台2使针电极613的针尖对准MEMS金属微结构53，并保证它们之间的距离大于高压电容11充分充电后的最大空气击穿间隙；然后，闭合第二空气开关10，使用高压电源12为高压电容11充电，当充电完成后再断开第二空气开关10；最后，闭合第一空气开关9，控制步进电机602启动，通过丝杠614旋转带动传动板610移动，使针电极613缓慢接近MEMS金属微结构53的振动端，当针电极613的针尖和MEMS金属微结构53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，实现对MEMS金属微结构53的非接触式冲击激励。

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。