本發(fā)明屬于微型機械電子系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于激波的MEMS微結(jié)構(gòu)非接觸式激勵裝置。

背景技術(shù)：

由于MEMS微器件具有成本低、體積小和重量輕等優(yōu)點，使其在汽車、航空航天、信息通訊、生物化學(xué)、醫(yī)療、自動控制和國防等諸多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景。對于很多MEMS器件來說，其內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的微小位移和微小變形是器件功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)，因此對這些微結(jié)構(gòu)的振幅、固有頻率、阻尼比等動態(tài)特性參數(shù)進(jìn)行精確測試已經(jīng)成為開發(fā)MEMS產(chǎn)品的重要內(nèi)容。

為了測試微結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性參數(shù)，首先需要使微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動，也就是需要對微結(jié)構(gòu)進(jìn)行激勵。由于MEMS微結(jié)構(gòu)具有尺寸小、重量輕和固有頻率高等特點，傳統(tǒng)機械模態(tài)測試中的激勵方法和激勵裝置無法被應(yīng)用在MEMS微結(jié)構(gòu)的振動激勵當(dāng)中。近二十年來，國內(nèi)外的研究人員針對MEMS微結(jié)構(gòu)的振動激勵方法進(jìn)行了大量的探索，研究出了一些可用于MEMS微結(jié)構(gòu)的激勵方法以及相應(yīng)的激勵裝置。其中，佘東生等在《基于激波的MEMS微結(jié)構(gòu)底座沖擊激勵方法研究》一文中介紹了一種基于激波的底座激勵裝置，該裝置具有激勵帶寬大，適用范圍廣等優(yōu)點，具備很好的應(yīng)用潛力。不過該裝置的主要缺點在于：該裝置是使用彈性底座激勵的方式對微結(jié)構(gòu)進(jìn)行激勵的，因此當(dāng)采用非接觸式的光學(xué)測振方法對微結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性進(jìn)行測試時，所獲得的振動響應(yīng)信號里不可避免地會包含底座結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)，這會使獲取微結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性參數(shù)變得十分困難。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于激波的MEMS微結(jié)構(gòu)非接觸式激勵裝置，該裝置能夠避免底座結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)對測試結(jié)果的干擾，實現(xiàn)了對MEMS微結(jié)構(gòu)的非接觸式激勵，激勵效果好，便于測試微結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性參數(shù)。

為解決上述問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種基于激波的MEMS微結(jié)構(gòu)非接觸式激勵裝置，包括基板，在基板上設(shè)有手動三軸位移臺和支座，在手動三軸位移臺的Z軸溜板上設(shè)有微結(jié)構(gòu)單元；所述微結(jié)構(gòu)單元包括一個安裝套，在安裝套內(nèi)設(shè)有階梯狀安裝孔，在安裝孔內(nèi)底部通過微結(jié)構(gòu)安裝板安裝有MEMS微結(jié)構(gòu)；在安裝孔外端口處通過壓板壓裝有光學(xué)玻璃板；

在支座上端設(shè)有橢球腔體，橢球腔體的內(nèi)腔為半個橢球面，該橢球面的第一焦點位于橢球腔體內(nèi)；在橢球腔體一側(cè)設(shè)有第一針電極單元，第一針電極單元包括分別固定在橢球腔體上且依次嵌套的軸套、彈簧安裝座和外套，在外套內(nèi)設(shè)有第一滑動套，第一滑動套外緣為階梯軸狀且前端由彈簧安裝座和軸套的中心孔穿出并插入到橢球腔體內(nèi)腔，在第一滑動套前端中心孔內(nèi)設(shè)有外部套有絕緣套的第一針電極，該第一針電極的針尖位于橢球面第一焦點的橫截面上且指向橢球面的第一焦點；在彈簧安裝座外端止口與第一滑動套之間設(shè)有復(fù)位彈簧，在外套中心處通過螺紋連接有調(diào)節(jié)螺桿，調(diào)節(jié)螺桿前端頂靠在第一滑動套外端，用于調(diào)節(jié)第一針電極的軸向位置；所述微結(jié)構(gòu)單元位于橢球腔體內(nèi)腔開口一側(cè)橢球面的第二焦點處；

在橢球腔體上對應(yīng)微結(jié)構(gòu)單元的另一側(cè)設(shè)有第二針電極單元，第二針電極單元包括一個槽型支架，槽型支架通過其一側(cè)立板固定在橢球腔體上，在槽型支架兩側(cè)的立板之間設(shè)有平行布置的導(dǎo)向軸和絲杠并在導(dǎo)向軸上套設(shè)有傳動板，傳動板與絲杠之間通過絲母連接，在槽型支架的另一側(cè)立板外側(cè)設(shè)有與絲杠同軸連接的步進(jìn)電機；在傳動板中部固定有第二滑動套，第二滑動套前端由所述一側(cè)立板穿出并插入到橢球腔體內(nèi)腔，在第二滑動套前端中心孔內(nèi)設(shè)有外部套有絕緣套的第二針電極，第二針電極針尖指向橢球面的第一焦點且位于與所述橢球面第一焦點的橫截面垂直的縱截面上；

第一針電極和第二針電極分別與高壓電容的兩極電聯(lián)接，在高壓電容與第一針電極之間設(shè)有第一空氣開關(guān)；所述高壓電容的兩極分別電聯(lián)接至高壓電源的正負(fù)極，并通過第二空氣開關(guān)控制通斷。

作為進(jìn)一步優(yōu)選，所述絕緣套為陶瓷管并通過頂絲分別固定在第一滑動套前端和第二滑動套前端。

作為進(jìn)一步優(yōu)選，所述安裝套通過一個水平支座安裝在所述Z軸溜板上。

作為進(jìn)一步優(yōu)選，所述微結(jié)構(gòu)安裝板通過圓周均布的螺釘固定在安裝孔內(nèi)底部的環(huán)形平面上，在微結(jié)構(gòu)安裝板上設(shè)有與所述安裝孔底部小孔相對應(yīng)的通孔，MEMS微結(jié)構(gòu)粘接在微結(jié)構(gòu)安裝板上。

作為進(jìn)一步優(yōu)選，所述軸套、彈簧安裝座和外套分別通過螺釘固定在橢球腔體上，其中軸套外緣為階梯狀且前部插入到設(shè)在橢球腔體一側(cè)的安裝孔內(nèi)，所述第一滑動套與軸套之間滑動間隙配合。

作為進(jìn)一步優(yōu)選，所述調(diào)節(jié)螺桿為空心結(jié)構(gòu)且與第一滑動套中心孔對應(yīng)相通，用于穿過連接第一針電極的導(dǎo)線。

作為進(jìn)一步優(yōu)選，所述第二滑動套外緣為階梯軸狀且穿過所述傳動板，第二滑動套的大徑端通過圓周均布的螺釘固定在傳動板上，在所述一側(cè)立板上對應(yīng)第二滑動套引出處固定有導(dǎo)向套，導(dǎo)向套前端插入到橢球腔體內(nèi)。

作為進(jìn)一步優(yōu)選，所述槽型支架是由兩側(cè)的立板通過底部的連接板連接而成。

本發(fā)明的有益效果是：由于橢球腔體的內(nèi)腔為半個橢球面，該橢球面的第一焦點位于橢球腔體內(nèi)，二個針電極單元的針電極針尖分別指向橢球面的第一焦點，所述微結(jié)構(gòu)單元位于橢球面的第二焦點處，能夠?qū)崿F(xiàn)通過兩個針電極進(jìn)行放電，并使用橢球腔體的橢球面對放電所產(chǎn)生的激波進(jìn)行聚焦，利用聚焦后的激波對處于橢球面第二焦點處的MEMS微結(jié)構(gòu)進(jìn)行沖擊激勵，一方面，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上取消了彈性底座結(jié)構(gòu)，使激波直接作用到MEMS微結(jié)構(gòu)上，因此當(dāng)采用非接觸式的光學(xué)測振方法對MEMS微結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性進(jìn)行測試時，所獲得的振動響應(yīng)信號里不會包含底座結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)，使獲取MEMS微結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性參數(shù)變得更加容易，實現(xiàn)了對MEMS微結(jié)構(gòu)的非接觸式激勵，能夠避免底座結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)對測試結(jié)果的干擾；另一方面，激波在經(jīng)過橢球腔體聚焦后的能量更加集中，大大提高了激勵裝置的激振能力，激勵效果好，便于測試MEMS微結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性參數(shù)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的立體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明的俯視圖。

圖3是本發(fā)明的側(cè)視圖。

圖4是圖2的A-A剖視放大圖。

圖5是本發(fā)明第一針電極單元的立體結(jié)構(gòu)圖。

圖6是本發(fā)明第一針電極單元的的結(jié)構(gòu)剖視圖。

圖7是本發(fā)明微結(jié)構(gòu)單元的立體結(jié)構(gòu)圖。

圖8是本發(fā)明微結(jié)構(gòu)單元的主視圖。

圖9是圖8的B-B剖視圖。

圖10是本發(fā)明第二針電極單元的立體結(jié)構(gòu)圖。

圖11是本發(fā)明的電路方框圖。

圖中：1.基板，2.手動三軸位移臺，3.微結(jié)構(gòu)單元，301.安裝套，302.螺釘，303.壓板，304.光學(xué)玻璃板，305.MEMS微結(jié)構(gòu)，306.螺釘，307.微結(jié)構(gòu)安裝板，4.支座，5.第一針電極單元，501.調(diào)節(jié)螺桿，502.外套，503.彈簧安裝座，504.軸套，505.頂絲，506.第一滑動套，507.絕緣套，508.第一針電極，509.復(fù)位彈簧，6.第二針電極單元,601.連接板，602.立板，603.步進(jìn)電機，604.絲母，605.導(dǎo)套，606.傳動板，607.導(dǎo)向軸，608.絕緣套，609.第二針電極，610.頂絲，611.導(dǎo)向套，612.第二滑動套，613.絲杠，7.橢球腔體，701.橢球面，8.Z軸溜板，9.水平支座，10.底板，11.第一空氣開關(guān)，12.第二空氣開關(guān)，13.高壓電容，14.高壓電源。

具體實施方式

如圖1-圖3所示，本發(fā)明涉及的一種基于激波的MEMS微結(jié)構(gòu)非接觸式激勵裝置，包括基板1，在基板1上設(shè)有手動三軸位移臺2和支座4，所述手動三軸位移臺2安裝在一個底板10上，該底板10通過螺釘固定在基板1上。在手動三軸位移臺2的Z軸溜板8上設(shè)有微結(jié)構(gòu)單元3；

如圖7-圖9所示，所述微結(jié)構(gòu)單元3包括一個通過水平支座9安裝在所述Z軸溜板8上的安裝套301，在安裝套301內(nèi)設(shè)有階梯狀安裝孔，在安裝孔內(nèi)底部通過微結(jié)構(gòu)安裝板307安裝有MEMS微結(jié)構(gòu)305；所述微結(jié)構(gòu)安裝板307通過圓周均布的螺釘306固定在所述安裝孔內(nèi)底部的環(huán)形平面上，在微結(jié)構(gòu)安裝板307上設(shè)有與所述安裝孔底部小孔相對應(yīng)的通孔，MEMS微結(jié)構(gòu)305粘接在微結(jié)構(gòu)安裝板307上。在安裝孔外端口處通過壓板303壓裝有光學(xué)玻璃板304，光學(xué)玻璃板304鑲裝在所述安裝孔外端止口內(nèi)，所述壓板303通過圓周均布的螺釘302與安裝套301連接。

如圖4所示，所述支座4通過螺釘固定在基板1上，在支座4上端支撐并固定有一個橢球腔體7，橢球腔體7的內(nèi)腔為半個橢球面701，該橢球面701的第一焦點位于橢球腔體7內(nèi)，第二焦點位于微結(jié)構(gòu)單元3一側(cè)。在橢球腔體7上一側(cè)安裝有第一針電極單元5。

如圖5和圖6所示，第一針電極單元5包括分別通過螺釘固定在橢球腔體7上且依次嵌套的軸套504、彈簧安裝座503和外套502，其中軸套504外緣為階梯狀且前部通過間隙配合插入到設(shè)在橢球腔體7一側(cè)的安裝孔內(nèi)，彈簧安裝座503套設(shè)于軸套504的大徑后端，外套502套裝在彈簧安裝座503外面。在外套502內(nèi)設(shè)有第一滑動套506，第一滑動套506外緣為階梯軸狀且前端由彈簧安裝座503和軸套504的中心孔穿出并插入到橢球腔體7內(nèi)腔，第一滑動套506與軸套504之間滑動間隙配合。在第一滑動套506前端中心孔內(nèi)設(shè)有外套絕緣套507的第一針電極508，該第一針電極的針尖位于橢球面701第一焦點的橫截面上且指向橢球面701的第一焦點；絕緣套507為陶瓷管并通過二個頂絲505固定插接在第一滑動套506前端。在彈簧安裝座503外端止口與第一滑動套506之間套設(shè)有復(fù)位彈簧509，在外套502外端中心孔內(nèi)通過螺紋連接有調(diào)節(jié)螺桿501，調(diào)節(jié)螺桿501前端頂靠在第一滑動套506外端，用于調(diào)節(jié)第一針電極508的軸向位置。

所述微結(jié)構(gòu)單元3中的MEMS微結(jié)構(gòu)305位于橢球腔體7內(nèi)腔開口一側(cè)橢球面701的第二焦點處；所述調(diào)節(jié)螺桿501為空心結(jié)構(gòu)且與第一滑動套506中心孔對應(yīng)相通，用于穿過連接第一針電極508的導(dǎo)線。

如圖10所示，在橢球腔體7上對應(yīng)微結(jié)構(gòu)單元3的另一側(cè)設(shè)有第二針電極單元6，第二針電極單元6包括一個槽型支架，所述槽型支架是由兩側(cè)的立板602通過底部的連接板601使用螺釘連接而成。槽型支架通過其一側(cè)立板602固定在橢球腔體7上，在槽型支架兩側(cè)的立板602之間設(shè)有上下平行布置的導(dǎo)向軸607和絲杠613，所述導(dǎo)向軸607兩端通過螺釘固定在兩側(cè)的立板602上，絲杠613可旋轉(zhuǎn)地安裝在兩側(cè)立板602之間。在導(dǎo)向軸607上套設(shè)有傳動板606，在傳動板606上對應(yīng)導(dǎo)向軸607處固定有與導(dǎo)向軸607滑動配合的導(dǎo)套605，所述絲杠613穿過傳動板606下部且與固定在傳動板606上的絲母604通過螺紋連接，在槽型支架的另一側(cè)立板602外側(cè)固定有與絲杠613同軸連接的步進(jìn)電機603。在傳動板606中部固定有第二滑動套612，第二滑動套612前端由所述一側(cè)立板602穿出并插入到橢球腔體7內(nèi)腔，在第二滑動套612前端中心孔內(nèi)插接有外部套有絕緣套608的第二針電極609，第二針電極609針尖指向所述橢球面701的第一焦點且位于與所述橢球面701第一焦點的橫截面垂直的縱截面上。絕緣套608為陶瓷管并通過頂絲610固定插接在第二滑動套612前端。

所述第二滑動套612外緣為階梯軸狀且穿過所述傳動板606，第二滑動套612的大徑端通過圓周均布的螺釘固定在傳動板606上，在所述一側(cè)立板602上對應(yīng)第二滑動套612引出處固定有導(dǎo)向套611，導(dǎo)向套611前端插入到橢球腔體7內(nèi)。

如圖11所示，該激波激勵裝置還設(shè)有高壓電容13和高壓電源14，第一針電極508和第二針電極609分別與高壓電容13的兩極通過導(dǎo)線電聯(lián)接，在高壓電容13與第一針電極508之間設(shè)有第一空氣開關(guān)11；所述高壓電容13的兩極分別與高壓電源14的正負(fù)極通過導(dǎo)線電聯(lián)接，并通過第二空氣開關(guān)12控制通斷。

工作時，首先將第一空氣開關(guān)11和第二空氣開關(guān)12全部置于斷開狀態(tài)，調(diào)節(jié)第一針電極單元5的調(diào)節(jié)螺桿501，通過調(diào)節(jié)螺桿501推動第一滑動套506使第一針電極508位于橢球腔體7內(nèi)橢球面701的第一焦點處；啟動步進(jìn)電機603通過絲杠613帶動傳動板606直線運動，使第二針電極609的針尖遠(yuǎn)離橢球腔體7內(nèi)橢球面701的第一焦點，使第二針電極609和第一針電極508之間的距離大于高壓電容13充分充電后的最大空氣擊穿間隙；其次，調(diào)節(jié)手動三軸位移臺2使MEMS微結(jié)構(gòu)305位于橢球面701第二焦點處；然后，閉合第二空氣開關(guān)12，使用高壓電源14為高壓電容13充電，當(dāng)充電完成后再斷開第二空氣開關(guān)12；最后，閉合第一空氣開關(guān)11，控制步進(jìn)電機603使第二針電極609的針尖逐漸接近橢球腔體7內(nèi)橢球面701的第一焦點，當(dāng)?shù)谝会橂姌O508和第二針電極609的針尖之間的距離滿足當(dāng)前充電電壓下的空氣擊穿條件時，空氣間隙被擊穿，完成放電并產(chǎn)生激波，通過橢球腔體7的聚焦，激波對處于橢球腔體7內(nèi)橢球面701第二焦點處的MEMS微結(jié)構(gòu)305進(jìn)行非接觸式的沖擊激勵。

盡管本發(fā)明的實施方案已公開如上，但其并不僅僅限于說明書和實施方式中所列運用，它完全可以被適用于各種適合本發(fā)明的領(lǐng)域，對于熟悉本領(lǐng)域的人員而言，可容易地實現(xiàn)另外的修改，因此在不背離權(quán)利要求及等同范圍所限定的一般概念下，本發(fā)明并不限于特定的細(xì)節(jié)和這里示出與描述的圖例。