本發(fā)明屬于微型機(jī)械電子系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種可在高溫環(huán)境下對(duì)MEMS金屬微結(jié)構(gòu)進(jìn)行激勵(lì)的激波激勵(lì)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(diǎn)，使其在汽車、航空航天、信息通訊、生物化學(xué)、醫(yī)療、自動(dòng)控制和國(guó)防等諸多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景。對(duì)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(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，因此對(duì)這些微結(jié)構(gòu)的振幅、固有頻率、阻尼比等動(dòng)態(tài)特性參數(shù)進(jìn)行精確測(cè)試已經(jīng)成為開發(fā)MEMS產(chǎn)品的重要內(nèi)容。

為了測(cè)試微結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)，首先需要使微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)，也就是需要對(duì)微結(jié)構(gòu)進(jìn)行激勵(lì)。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(diǎn)，傳統(tǒng)機(jī)械模態(tài)測(cè)試中的激勵(lì)方法和激勵(lì)裝置無法被應(yīng)用在MEMS微結(jié)構(gòu)的振動(dòng)激勵(lì)當(dāng)中。近二十年來，國(guó)內(nèi)外的研究人員針對(duì)MEMS微結(jié)構(gòu)的振動(dòng)激勵(lì)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(lì)方法以及相應(yīng)的激勵(lì)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(lì)方法研究》一文中介紹了一種基于激波的底座激勵(lì)裝置，該裝置具有激勵(lì)帶寬大，適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，具備很好的應(yīng)用潛力。不過該裝置仍然存在著下列缺點(diǎn)：第一，在裝置中使用了一個(gè)十字彈簧片作為承載微結(jié)構(gòu)的底座結(jié)構(gòu)，微結(jié)構(gòu)及其安裝結(jié)構(gòu)被粘接到十字彈簧片的頂部中心位置，當(dāng)對(duì)微結(jié)構(gòu)進(jìn)行激勵(lì)時(shí)，十字彈簧片會(huì)產(chǎn)生較大的彎曲變形；一方面這會(huì)引起微結(jié)構(gòu)安裝板的變形，導(dǎo)致微結(jié)構(gòu)的損壞；另一方面這會(huì)使微結(jié)構(gòu)安裝板和十字彈簧片之間已固化的膠水承受很大的拉力，在進(jìn)行多次激勵(lì)后，膠水容易開裂，微結(jié)構(gòu)安裝板會(huì)產(chǎn)生松動(dòng)，脫離十字彈簧片；第二，在裝置中，十字彈簧片、陶瓷片和板電極之間上下疊加布置，且在相鄰的二個(gè)零件之間均使用膠水粘接的方式進(jìn)行固定，這種粘接結(jié)構(gòu)不夠牢靠，在經(jīng)過多次放電后，各層之間容易脫離；第三，在裝置中，進(jìn)給機(jī)構(gòu)只能手動(dòng)調(diào)節(jié)，不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)進(jìn)給，導(dǎo)致放電操作繁瑣且安全性差；第四，由于微結(jié)構(gòu)是完全暴露在空氣中的，因此在使用該裝置對(duì)微結(jié)構(gòu)進(jìn)行加熱時(shí)，空氣對(duì)流作用十分明顯，導(dǎo)致微結(jié)構(gòu)的實(shí)際溫度和溫度傳感器的測(cè)量值之間有很大的差異。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種可在高溫環(huán)境下對(duì)MEMS金屬微結(jié)構(gòu)進(jìn)行激勵(lì)的激波激勵(lì)裝置，該裝置結(jié)構(gòu)安裝牢固，操作簡(jiǎn)便安全，溫度控制精準(zhǔn)，便于測(cè)試MEMS金屬微結(jié)構(gòu)的動(dòng)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：

一種可在高溫環(huán)境下對(duì)MEMS金屬微結(jié)構(gòu)進(jìn)行激勵(lì)的激波激勵(lì)裝置，包括基板，在基板上設(shè)有手動(dòng)三軸位移臺(tái)和支座，在手動(dòng)三軸位移臺(tái)的Z軸溜板上設(shè)有針電極單元；所述針電極單元包括用于連接Z軸溜板的直角連接板，在直角連接板上設(shè)有二塊相互平行的支撐板，在二塊支撐板之間設(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(dòng)板，傳動(dòng)板與絲杠之間通過絲母連接，在其中一塊支撐板外側(cè)設(shè)有與絲杠同軸連接的步進(jìn)電機(jī)，在傳動(dòng)板上端通過陶瓷管絕緣安裝有針電極，針電極指向設(shè)置在支座上端的微結(jié)構(gòu)單元；

所述微結(jié)構(gòu)單元包括安裝在支座上端的安裝套，在安裝套內(nèi)設(shè)有階梯狀安裝孔，在安裝孔內(nèi)的環(huán)形階梯處通過圓周均布的長(zhǎng)螺栓固定有彈性底座和加熱環(huán)體，彈性底座夾持在加熱環(huán)體與安裝孔內(nèi)的環(huán)形階梯之間，彈性底座為圓環(huán)形薄片狀并在其中部設(shè)有環(huán)形凸臺(tái)，彈性底座的中心孔為階梯狀，其外側(cè)大孔內(nèi)通過絕緣套鑲裝有板電極，彈性底座內(nèi)側(cè)通過微結(jié)構(gòu)壓板壓裝MEMS金屬微結(jié)構(gòu)且在靠近MEMS金屬微結(jié)構(gòu)處插入有溫度傳感器；在加熱環(huán)體上圓周均布插入有電加熱棒，電加熱棒通過設(shè)在加熱環(huán)體外側(cè)的限位壓板限位；在安裝套上位于其安裝孔的大徑一側(cè)可拆卸連接有罩體，在罩體中心鑲裝有石英玻璃板，所述安裝套內(nèi)的安裝孔通過鑲裝石英玻璃板的罩體和彈性底座形成一個(gè)密閉空間，所述MEMS金屬微結(jié)構(gòu)位于該密閉空間內(nèi)；

在罩體上設(shè)有一個(gè)電氣接頭，所述電加熱棒分別與電氣接頭電聯(lián)接；所述針電極和板電極分別與高壓電容的兩極電聯(lián)接，在針電極和高壓電容之間設(shè)有第一空氣開關(guān)控制通斷；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，所述手動(dòng)三軸位移臺(tái)安裝在一個(gè)底板上，該底板通過螺釘固定在基板上。

作為進(jìn)一步優(yōu)選，所述陶瓷管垂直穿過傳動(dòng)板并通過設(shè)在傳動(dòng)板上端的頂絲固定。

作為進(jìn)一步優(yōu)選，所述支座為階梯軸狀，其下端為大徑端并套設(shè)有法蘭盤，法蘭盤與基板通過螺釘連接并將支座固定在基板上，支座上端與安裝套通過螺紋連接。

作為進(jìn)一步優(yōu)選，在每個(gè)長(zhǎng)螺栓上位于彈性底座與所述安裝孔內(nèi)的環(huán)形階梯之間以及安裝套的環(huán)形階梯外側(cè)分別套設(shè)有隔熱墊圈，用于隔絕電加熱棒傳導(dǎo)的熱量。

作為進(jìn)一步優(yōu)選，所述環(huán)形凸臺(tái)插入到所述安裝孔的小徑一側(cè)孔內(nèi)，以便接近針電極，便于調(diào)節(jié)針電極與板電極之間的間隙。

作為進(jìn)一步優(yōu)選，所述彈性底座的中心孔的外側(cè)大孔為錐形孔，所述絕緣套外緣為錐形且與所述錐形孔配合插接并粘接，絕緣套內(nèi)壁與板電極外緣之間通過相互配合的圓錐面插接并粘接，以增強(qiáng)板電極安裝的牢固性。

作為進(jìn)一步優(yōu)選，所述微結(jié)構(gòu)壓板通過圓周均布的螺釘連接在彈性底座內(nèi)側(cè)的中心處，MEMS金屬微結(jié)構(gòu)夾持在微結(jié)構(gòu)壓板與彈性底座之間。

作為進(jìn)一步優(yōu)選，在彈性底座內(nèi)側(cè)對(duì)應(yīng)環(huán)形凸臺(tái)處設(shè)有一個(gè)傳感器安裝孔，所述溫度傳感器插入到傳感器安裝孔內(nèi)。

本發(fā)明的有益效果是：

(1)由于彈性底座為圓環(huán)形薄片狀并在其中部設(shè)有環(huán)形凸臺(tái)，當(dāng)對(duì)MEMS金屬微結(jié)構(gòu)進(jìn)行激勵(lì)時(shí)，彈性底座中心區(qū)域不會(huì)出現(xiàn)彎曲變形，這樣就不會(huì)使安裝在彈性底座內(nèi)側(cè)中心處的微結(jié)構(gòu)壓板產(chǎn)生變形，也就不會(huì)出現(xiàn)MEMS金屬微結(jié)構(gòu)和微結(jié)構(gòu)壓板相脫離的現(xiàn)象。

(2)由于彈性底座的中心孔為階梯狀，其外側(cè)大孔內(nèi)通過絕緣套鑲裝有板電極，因此板電極安裝更加牢固，經(jīng)過多次放電后，各零件之間也不會(huì)脫離。

(3)由于在手動(dòng)三軸位移臺(tái)的Z軸溜板上設(shè)有由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)位移的針電極單元，因此同時(shí)具有手動(dòng)進(jìn)給和自動(dòng)進(jìn)給兩種功能；在激波激勵(lì)實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備階段，可以使用手動(dòng)進(jìn)給的方式調(diào)節(jié)針電極和板電極的相對(duì)位置，在進(jìn)行激波激勵(lì)實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以控制步進(jìn)電機(jī)通過自動(dòng)進(jìn)給的方式進(jìn)行放電，這樣既保證了能夠靈活地調(diào)節(jié)兩個(gè)電極之間的相對(duì)位置，又保證了在進(jìn)行放電實(shí)驗(yàn)時(shí)的安全性，操作簡(jiǎn)便安全。

(4)由于所述安裝套內(nèi)的安裝孔通過鑲裝石英玻璃板的罩體和彈性底座形成一個(gè)密閉空間，所述MEMS金屬微結(jié)構(gòu)位于該密閉空間內(nèi)，因此大大減少了空氣對(duì)流的作用，使溫度傳感器的測(cè)量值能夠更接近MEMS金屬微結(jié)構(gòu)的實(shí)際溫度，測(cè)量數(shù)值準(zhǔn)確，能夠保證MEMS金屬微結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)測(cè)試的準(zhǔn)確性。

(5)由于MEMS金屬微結(jié)構(gòu)是通過微結(jié)構(gòu)壓板采用機(jī)械固定的方式固定在彈性底座上，這種安裝結(jié)構(gòu)一方面提供了很好的連接剛度，使激勵(lì)效果更好，能夠保證MEMS金屬微結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)測(cè)試的準(zhǔn)確性；另一方面，使拆除MEMS金屬微結(jié)構(gòu)變得更加簡(jiǎn)單、方便。

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)明的前視圖。

圖3是圖2的右視圖。

圖4是本發(fā)明針電極單元的立體結(jié)構(gòu)圖。

圖5是本發(fā)明微結(jié)構(gòu)單元的立體結(jié)構(gòu)圖。

圖6是圖3中微結(jié)構(gòu)單元的局部放大圖。

圖7是圖6的A-A剖視圖。

圖8是圖6的B-B剖視圖。

圖9是圖6中去掉罩體后的視圖。

圖10是本發(fā)明的電路方框圖。

圖中：基板1，手動(dòng)三軸位移臺(tái)2，底板3，螺釘4，微結(jié)構(gòu)單元5，安裝套501，隔熱墊圈502，螺母503，長(zhǎng)螺栓504，絕緣套505，板電極506，彈性底座507，螺釘508，電氣接頭509，罩體510，石英玻璃板511，螺釘512，螺釘513，加熱環(huán)體514，限位壓板515，隔熱墊圈516，微結(jié)構(gòu)壓板517，MEMS金屬微結(jié)構(gòu)518，螺釘519，電加熱棒520，溫度傳感器521，針電極單元6，直角連接板601，步進(jìn)電機(jī)602，螺釘603，螺釘604，支撐板605，導(dǎo)向軸606，絲母607，螺釘608，軸套609，傳動(dòng)板610，頂絲611，陶瓷管612，針電極613，絲杠614，法蘭盤7，支座8，第一空氣開關(guān)9，第二空氣開關(guān)10，高壓電容11，高壓電源12。

具體實(shí)施方式

如圖1-圖3所示，本發(fā)明涉及的一種可在高溫環(huán)境下對(duì)MEMS金屬微結(jié)構(gòu)進(jìn)行激勵(lì)的激波激勵(lì)裝置，包括基板1，在基板1上設(shè)有手動(dòng)三軸位移臺(tái)2和一個(gè)支座8，所述手動(dòng)三軸位移臺(tái)2安裝在一個(gè)底板3上，該底板3通過螺釘4固定在基板1上。在手動(dòng)三軸位移臺(tái)2的Z軸溜板上安裝有針電極單元6。

如圖4所示，所述針電極單元6包括通過螺釘固定在Z軸溜板上的直角連接板601，在直角連接板601上通過螺釘固定有二塊相互平行的支撐板605，在二塊支撐板605之間設(shè)有上下平行布置的導(dǎo)向軸606和絲杠614并在導(dǎo)向軸606上套設(shè)有傳動(dòng)板610，在傳動(dòng)板610上對(duì)應(yīng)導(dǎo)向軸606處鑲裝有與導(dǎo)向軸606滑動(dòng)配合的軸套609，導(dǎo)向軸606兩端通過螺釘604固定在二塊支撐板605上，絲杠614可旋轉(zhuǎn)地安裝在二塊支撐板605之間，傳動(dòng)板610與絲杠614之間通過由螺釘608固定在傳動(dòng)板610上的絲母607連接，在其中一塊支撐板605外側(cè)通過螺釘603固定有與絲杠614同軸連接的步進(jìn)電機(jī)602，在傳動(dòng)板610上端通過陶瓷管612絕緣安裝有針電極613，所述陶瓷管612垂直穿過傳動(dòng)板610并通過設(shè)在傳動(dòng)板610上端的頂絲611固定。針電極613后部鑲裝在陶瓷管612內(nèi)，針電極613前端針尖指向設(shè)置在支座8上端的微結(jié)構(gòu)單元5。

如圖5-圖9所示，所述微結(jié)構(gòu)單元5包括安裝在支座8上端的安裝套501，所述支座8為階梯軸狀，其下端為大徑端并套設(shè)有法蘭盤7，法蘭盤7與基板1通過螺釘連接并將支座8固定在基板1上，支座8上端與設(shè)置在安裝套501底面上的螺孔通過螺紋連接。在安裝套501內(nèi)設(shè)有階梯狀安裝孔，在安裝孔內(nèi)的環(huán)形階梯處通過圓周均布的長(zhǎng)螺栓504固定有彈性底座507和加熱環(huán)體514，彈性底座507夾持在加熱環(huán)體514與安裝孔內(nèi)的環(huán)形階梯之間，彈性底座507為圓環(huán)形薄片狀并在其中部設(shè)有環(huán)形凸臺(tái)，所述環(huán)形凸臺(tái)插入到所述安裝孔的小徑一側(cè)孔內(nèi)，彈性底座507的中心孔為階梯狀，其外側(cè)大孔內(nèi)通過絕緣套505鑲裝有板電極506，彈性底座507內(nèi)側(cè)通過微結(jié)構(gòu)壓板517壓裝MEMS金屬微結(jié)構(gòu)518，所述微結(jié)構(gòu)壓板517通過圓周均布的螺釘519連接在彈性底座507內(nèi)側(cè)的中心處，MEMS金屬微結(jié)構(gòu)518夾持在微結(jié)構(gòu)壓板517與彈性底座507之間；在彈性底座507內(nèi)側(cè)靠近MEMS金屬微結(jié)構(gòu)518處且對(duì)應(yīng)環(huán)形凸臺(tái)處設(shè)有一個(gè)傳感器安裝孔，在傳感器安裝孔內(nèi)插入有溫度傳感器521。

在每個(gè)長(zhǎng)螺栓504上位于彈性底座507與所述安裝孔內(nèi)的環(huán)形階梯之間以及安裝套501的環(huán)形階梯外側(cè)和螺母503之間分別套設(shè)有隔熱墊圈502和隔熱墊圈516，用于隔絕電加熱棒520傳導(dǎo)的熱量。所述彈性底座507的中心孔的外側(cè)大孔為錐形孔，所述絕緣套505優(yōu)選為陶瓷套，絕緣套505外緣為錐形且與所述錐形孔配合插接并粘接，絕緣套505內(nèi)壁與板電極506外緣之間設(shè)有相互配合的圓錐面且相互插接并粘接，以增強(qiáng)板電極506安裝的牢固性。

在加熱環(huán)體514上圓周均布有加熱棒插孔并插入有電加熱棒520，電加熱棒520通過使用螺釘513固定在加熱環(huán)體514外側(cè)的環(huán)形限位壓板515限位，在限位壓板515上對(duì)應(yīng)每個(gè)電加熱棒520處分別設(shè)有引線穿孔，用于穿過電加熱棒520的電源線；在安裝套501上位于其安裝孔的大徑一側(cè)通過圓周均布的螺釘512可拆卸連接有罩體510，罩體510內(nèi)側(cè)設(shè)有環(huán)形凸沿且環(huán)形凸沿內(nèi)徑與所述安裝孔的大徑相當(dāng)。

在罩體510的階梯狀中心孔內(nèi)鑲裝有石英玻璃板511，所述安裝套501內(nèi)的安裝孔通過鑲裝石英玻璃板511的罩體510和彈性底座507形成一個(gè)密閉空間，所述MEMS金屬微結(jié)構(gòu)518位于該密閉空間內(nèi)；在罩體510上通過螺釘508固定有一個(gè)電氣接頭509，所述電加熱棒520的電源線分別與電氣接頭509電聯(lián)接。

如圖10所示，該激波激勵(lì)裝置還設(shè)有高壓電容11和高壓電源12，所述針電極613和板電極506分別與高壓電容11的兩極電聯(lián)接，在針電極613和高壓電容11之間設(shè)有第一空氣開關(guān)9控制通斷；所述高壓電容11的兩極分別電聯(lián)接至高壓電源12的正負(fù)極，并通過第二空氣開關(guān)10控制通斷。

使用時(shí)，首先將第一空氣開關(guān)9和第二空氣開關(guān)10全部置于斷開狀態(tài)，調(diào)節(jié)手動(dòng)三軸位移臺(tái)2使針電極613的針尖對(duì)準(zhǔn)板電極506的中心位置，并保證它們之間的距離大于高壓電容11充分充電后的最大空氣擊穿間隙；其次，控制電加熱棒520對(duì)MEMS金屬微結(jié)構(gòu)518進(jìn)行加熱，并通過溫度傳感器521檢測(cè)MEMS金屬微結(jié)構(gòu)518的溫度，將MEMS金屬微結(jié)構(gòu)518的溫度升高到實(shí)驗(yàn)設(shè)定值；再次，閉合第二空氣開關(guān)10，使用高壓電源12為高壓電容11充電，當(dāng)充電完成后再斷開第二空氣開關(guān)10；最后，閉合第一空氣開關(guān)9，控制步進(jìn)電機(jī)602，使針電極613緩慢接近板電極506，當(dāng)針電極613的針尖和板電極506之間的距離滿足當(dāng)前充電電壓下的空氣擊穿條件時(shí)，空氣間隙被擊穿，完成放電并產(chǎn)生激波，實(shí)現(xiàn)對(duì)MEMS金屬微結(jié)構(gòu)518在高溫環(huán)境下的沖擊激勵(lì)。

盡管本發(fā)明的實(shí)施方案已公開如上，但其并不僅僅限于說明書和實(shí)施方式中所列運(yùn)用，它完全可以被適用于各種適合本發(fā)明的領(lǐng)域，對(duì)于熟悉本領(lǐng)域的人員而言，可容易地實(shí)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。