一种动态特性测试的压电式激励装置及其工作方法

摘要

一种动态特性测试的压电式激励装置及其工作方法，属于微型机械电子技术领域。压电式激励装置包括筒体、安装在筒体底部的底板、微结构激励单元和光加热单元，微结构激励单元包括一个手动三轴位移台，在手动三轴位移台的垂直溜板上安装有连接板，在连接板上通过螺纹安装有封装压电陶瓷，在封装压电陶瓷的顶部安装有微结构安装板，在微结构安装板的顶部粘接有MEMS微结构；光激励单元中使用了四个遮光板，使得由光加热单元发出的平行光仅能照射在MEMS微结构上；该装置的有益效果是：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。

说明书

技术领域

本发明涉及一种动态特性测试的压电式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；佘东生等在《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

本发明所要解决的技术问题是提供一种动态特性测试的压电式激励装置，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。

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：一种动态特性测试的压电式激励装置，压电式激励装置包括筒体、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；

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一个手动三轴位移台，在手动三轴位移台的垂直溜板上安装有连接板，在连接板上通过螺纹安装有封装压电陶瓷，在封装压电陶瓷的顶部安装有微结构安装板，在微结构安装板的顶部粘接有MEMS微结构。

一种动态特性测试的压电式激励装置的工作方法：首先，转动光激励单元安装板，旋拧前套筒，并调节推板，同时调节手动三轴位移台，使光激励单元发射出的平行光仅能照射在MEMS微结构上；其次，使用光激励单元对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；然后，使用外部电源在封装压电陶瓷两极间施加阶跃电压信号，封装压电陶瓷由于逆压电效应会实现对MEMS微结构的激励，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、由于在装置中采用封装压电陶瓷作为激励源，提高了激励源的可靠性和稳定性。

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。

图中：1、筒体，2、固定板，3、光加热单元安装板，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，501、手动三轴位移台，502、连接板，503、MEMS微结构，504、微结构安装板，505、封装压电陶瓷，6、底板，7、销轴，8、紧定螺钉。

具体实施方式

图1-6所示，一种动态特性测试的压电式激励装置包括筒体1和安装在筒体1底部的底板6，在底板6上设有微结构激励单元5。微结构激励单元5包括一个手动三轴位移台501，在手动三轴位移台501的垂直溜板上安装有连接板502，在连接板502上通过螺纹安装有封装压电陶瓷505，在封装压电陶瓷505的顶部安装有微结构安装板504，在微结构安装板504的顶部粘接有MEMS微结构503。

在筒体1的顶部圆周均布的安装有四个光加热单元4，每个光加热单元4依次通过光加热单元安装板3、销轴7、固定板2与筒体1相连接，光加热单元4可绕销轴7转动，在光加热单元安装板3上与销轴7套装部的螺纹孔内有紧定螺钉8。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。

在前套筒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套装在调节旋钮404上，用于调节遮光板的位置。

工作时，首先，转动光激励单元安装板3，旋拧前套筒402，并调节推板405，同时调节手动三轴位移台501，使光激励单元4发射出的平行光仅能照射在MEMS微结构503上；其次，使用光激励单元4对MEMS微结构503进行加热，在红外测温仪器的协助下将MEMS微结构503加热到目标温度；然后，使用外部电源在封装压电陶瓷505两极间施加阶跃电压信号，封装压电陶瓷505由于逆压电效应会实现对MEMS微结构503的激励，同时使用非接触的光学测振仪器获取MEMS微结构503的振动响应，从而获取MEMS微结构503在该目标温度下的动态特性参数。

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。