一种可在高温环境下对MEMS金属微结构进行激励的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，特别涉及一种可在高温环境下对MEMS金属微结构进行激励的激波激励装置。

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，在装置中使用了一个十字弹簧片作为承载微结构的底座结构，微结构及其安装结构被粘接到十字弹簧片的顶部中心位置，当对微结构进行激励时，十字弹簧片会产生较大的弯曲变形；一方面这会引起微结构安装板的变形，导致微结构的损坏；另一方面这会使微结构安装板和十字弹簧片之间已固化的胶水承受很大的拉力，在进行多次激励后，胶水容易开裂，微结构安装板会产生松动，脱离十字弹簧片；第二，在装置中，十字弹簧片、陶瓷片和板电极之间上下叠加布置，且在相邻的二个零件之间均使用胶水粘接的方式进行固定，这种粘接结构不够牢靠，在经过多次放电后，各层之间容易脱离；第三，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；第四，由于微结构是完全暴露在空气中的，因此在使用该装置对微结构进行加热时，空气对流作用十分明显，导致微结构的实际温度和温度传感器的测量值之间有很大的差异。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种可在高温环境下对MEMS金属微结构进行激励的激波激励装置，该装置结构安装牢固，操作简便安全，温度控制精准，便于测试MEMS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：

一种可在高温环境下对MEMS金属微结构进行激励的激波激励装置，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安装套，在安装套内设有阶梯状安装孔，在安装孔内的环形阶梯处通过圆周均布的长螺栓固定有弹性底座和加热环体，弹性底座夹持在加热环体与安装孔内的环形阶梯之间，弹性底座为圆环形薄片状并在其中部设有环形凸台，弹性底座的中心孔为阶梯状，其外侧大孔内通过绝缘套镶装有板电极，弹性底座内侧通过微结构压板压装MEMS金属微结构且在靠近MEMS金属微结构处插入有温度传感器；在加热环体上圆周均布插入有电加热棒，电加热棒通过设在加热环体外侧的限位压板限位；在安装套上位于其安装孔的大径一侧可拆卸连接有罩体，在罩体中心镶装有石英玻璃板，所述安装套内的安装孔通过镶装石英玻璃板的罩体和弹性底座形成一个密闭空间，所述MEMS金属微结构位于该密闭空间内；

在罩体上设有一个电气接头，所述电加热棒分别与电气接头电联接；所述针电极和板电极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，支座上端与安装套通过螺纹连接。

作为进一步优选，在每个长螺栓上位于弹性底座与所述安装孔内的环形阶梯之间以及安装套的环形阶梯外侧分别套设有隔热垫圈，用于隔绝电加热棒传导的热量。

作为进一步优选，所述环形凸台插入到所述安装孔的小径一侧孔内，以便接近针电极，便于调节针电极与板电极之间的间隙。

作为进一步优选，所述弹性底座的中心孔的外侧大孔为锥形孔，所述绝缘套外缘为锥形且与所述锥形孔配合插接并粘接，绝缘套内壁与板电极外缘之间通过相互配合的圆锥面插接并粘接，以增强板电极安装的牢固性。

作为进一步优选，所述微结构压板通过圆周均布的螺钉连接在弹性底座内侧的中心处，MEMS金属微结构夹持在微结构压板与弹性底座之间。

作为进一步优选，在弹性底座内侧对应环形凸台处设有一个传感器安装孔，所述温度传感器插入到传感器安装孔内。

本发明的有益效果是：

(1)由于弹性底座为圆环形薄片状并在其中部设有环形凸台，当对MEMS金属微结构进行激励时，弹性底座中心区域不会出现弯曲变形，这样就不会使安装在弹性底座内侧中心处的微结构压板产生变形，也就不会出现MEMS金属微结构和微结构压板相脱离的现象。

(2)由于弹性底座的中心孔为阶梯状，其外侧大孔内通过绝缘套镶装有板电极，因此板电极安装更加牢固，经过多次放电后，各零件之间也不会脱离。

(3)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板电极的相对位置，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两个电极之间的相对位置，又保证了在进行放电实验时的安全性，操作简便安全。

(4)由于所述安装套内的安装孔通过镶装石英玻璃板的罩体和弹性底座形成一个密闭空间，所述MEMS金属微结构位于该密闭空间内，因此大大减少了空气对流的作用，使温度传感器的测量值能够更接近MEMS金属微结构的实际温度，测量数值准确，能够保证MEMS金属微结构的动态特性参数测试的准确性。

(5)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弹性底座上，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是图3中微结构单元的局部放大图。

图7是图6的A-A剖视图。

图8是图6的B-B剖视图。

图9是图6中去掉罩体后的视图。

图10是本发明的电路方框图。

图中：基板1，手动三轴位移台2，底板3，螺钉4，微结构单元5，安装套501，隔热垫圈502，螺母503，长螺栓504，绝缘套505，板电极506，弹性底座507，螺钉508，电气接头509，罩体510，石英玻璃板511，螺钉512，螺钉513，加热环体514，限位压板515，隔热垫圈516，微结构压板517，MEMS金属微结构518，螺钉519，电加热棒520，温度传感器521，针电极单元6，直角连接板601，步进电机602，螺钉603，螺钉604，支撑板605，导向轴606，丝母607，螺钉608，轴套609，传动板610，顶丝611，陶瓷管612，针电极613，丝杠614，法兰盘7，支座8，第一空气开关9，第二空气开关10，高压电容11，高压电源12。

具体实施方式

如图1-图3所示，本发明涉及的一种可在高温环境下对MEMS金属微结构进行激励的激波激励装置，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9所示，所述微结构单元5包括安装在支座8上端的安装套501，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上端与设置在安装套501底面上的螺孔通过螺纹连接。在安装套501内设有阶梯状安装孔，在安装孔内的环形阶梯处通过圆周均布的长螺栓504固定有弹性底座507和加热环体514，弹性底座507夹持在加热环体514与安装孔内的环形阶梯之间，弹性底座507为圆环形薄片状并在其中部设有环形凸台，所述环形凸台插入到所述安装孔的小径一侧孔内，弹性底座507的中心孔为阶梯状，其外侧大孔内通过绝缘套505镶装有板电极506，弹性底座507内侧通过微结构压板517压装MEMS金属微结构518，所述微结构压板517通过圆周均布的螺钉519连接在弹性底座507内侧的中心处，MEMS金属微结构518夹持在微结构压板517与弹性底座507之间；在弹性底座507内侧靠近MEMS金属微结构518处且对应环形凸台处设有一个传感器安装孔，在传感器安装孔内插入有温度传感器521。

在每个长螺栓504上位于弹性底座507与所述安装孔内的环形阶梯之间以及安装套501的环形阶梯外侧和螺母503之间分别套设有隔热垫圈502和隔热垫圈516，用于隔绝电加热棒520传导的热量。所述弹性底座507的中心孔的外侧大孔为锥形孔，所述绝缘套505优选为陶瓷套，绝缘套505外缘为锥形且与所述锥形孔配合插接并粘接，绝缘套505内壁与板电极506外缘之间设有相互配合的圆锥面且相互插接并粘接，以增强板电极506安装的牢固性。

在加热环体514上圆周均布有加热棒插孔并插入有电加热棒520，电加热棒520通过使用螺钉513固定在加热环体514外侧的环形限位压板515限位，在限位压板515上对应每个电加热棒520处分别设有引线穿孔，用于穿过电加热棒520的电源线；在安装套501上位于其安装孔的大径一侧通过圆周均布的螺钉512可拆卸连接有罩体510，罩体510内侧设有环形凸沿且环形凸沿内径与所述安装孔的大径相当。

在罩体510的阶梯状中心孔内镶装有石英玻璃板511，所述安装套501内的安装孔通过镶装石英玻璃板511的罩体510和弹性底座507形成一个密闭空间，所述MEMS金属微结构518位于该密闭空间内；在罩体510上通过螺钉508固定有一个电气接头509，所述电加热棒520的电源线分别与电气接头509电联接。

如图10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和板电极506分别与高压电容11的两极电联接，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的针尖对准板电极506的中心位置，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；其次，控制电加热棒520对MEMS金属微结构518进行加热，并通过温度传感器521检测MEMS金属微结构518的温度，将MEMS金属微结构518的温度升高到实验设定值；再次，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，使针电极613缓慢接近板电极506，当针电极613的针尖和板电极506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518在高温环境下的冲击激励。

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。