[發明專利]一種由壓電陶瓷驅動的MEMS微結構三軸式激勵裝置

有效

• 申請號: 201711355464.4
• 申請日: 2017-12-16
• 公開（公告）號: CN108168815B
• 公開（公告）日: 2019-05-31
• 發明（設計）人: 佘東生;趙玉峰;楊禎山;郭兆正;劉繼行;孫小楠
• 申請（專利權）人: 渤海大學
• 主分類號: G01M7/02
• 分類號: G01M7/02;G01H9/00
• 代理公司: 錦州遼西專利事務所(普通合伙) 21225
• 代理人: 張旭存

本發明公開了一種由壓電陶瓷驅動的MEMS微結構三軸式激勵裝置，包括套筒、疊堆壓電陶瓷，壓力傳感器，上、下聯接塊和MEMS微結構；在套筒上端設有環形頂板，MEMS微結構通過彈性支撐件安裝在環形頂板上；下聯接塊上端為半球狀圓頭并頂在上聯接塊底面；壓電陶瓷夾持在壓力傳感器與彈性支撐件之間；在上聯接塊與套筒之間圓周均布設有球頭柱塞，球頭柱塞內端頂入到上聯接塊外緣的滑槽內，在環形頂板和底板之間圓周均布有導向軸。該裝置能夠靈活對疊堆壓電陶瓷施加不同大小的預緊力，使預緊力測量值更加準確，可使補償疊堆壓電陶瓷兩工作表面平行度誤差的調節過程變得更加順暢和平滑，減小了疊堆壓電陶瓷各層之間的剪切力，便于測試MEMS微結構的動態特性參數。

技術領域

本發明屬于微型機械電子系統技術領域，特別涉及一種由壓電陶瓷驅動的MEMS微結構三軸式激勵裝置。

背景技術

由于MEMS微器件具有成本低、體積小和重量輕等優點，使其在汽車、航空航天、信息通訊、生物化學、醫療、自動控制和國防等諸多領域都有著廣泛的應用前景。對于很多MEMS器件來說，其內部微結構的微小位移和微小變形是器件功能實現的基礎，因此對這些微結構的振幅、固有頻率、阻尼比等動態特性參數進行精確測試已經成為開發MEMS產品的重要內容。

為了測試微結構的動態特性參數，首先需要使微結構產生振動，也就是需要對微結構進行激勵。由于MEMS微結構具有尺寸小、重量輕和固有頻率高等特點，傳統機械模態測試中的激勵方法和激勵裝置無法被應用在MEMS微結構的振動激勵當中。近三十年來，國內外的研究人員針對MEMS微結構的振動激勵方法進行了大量的探索，研究出了一些可用于MEMS微結構的激勵方法以及相應的激勵裝置。其中，以疊堆壓電陶瓷作為激勵源的底座激勵裝置具備激勵帶寬較大，裝置簡單、易操作，以及適用性強等優點，因此在MEMS微結構動態特性測試領域得到了廣泛的應用。David等在《A base excitation test facility fordynamic testing of microsystems》一文中介紹了一種基于壓電陶瓷的底座激勵裝置，在該裝置中疊堆壓電陶瓷被直接粘接在一個固定的底座上，由于疊堆壓電陶瓷是一種多層粘接結構，所以疊堆壓電陶瓷能夠承受較大的壓力，但不能承受拉力，拉力會導致疊堆壓電陶瓷的損壞，當疊堆壓電陶瓷在使用時，對其施壓一定的預緊力有利于延長疊堆壓電陶瓷的使用壽命，而該裝置并未考慮上述問題；Wang等在《Dynamic characteristic testing forMEMS micro-devices with base excitation》一文中介紹了一種基于壓電陶瓷的底座激勵裝置，在該裝置中考慮到了對疊堆壓電陶瓷施加一定預緊力的問題，使用了壓板、底座和調節螺釘組成的機構來壓緊疊堆壓電陶瓷，并可通過旋擰調節螺釘來改變預緊力的大小，但該裝置并未考慮到在使用上述機構對疊堆壓電陶瓷施加預緊力時，由于疊堆壓電陶瓷兩工作表面的平行度誤差，在疊堆壓電陶瓷的層與層之間會產生剪切力，該剪切力會對疊堆壓電陶瓷產生機械損傷，此外，該裝置無法測量所施加預緊力的大小，如果調節不當，則也會對疊堆壓電陶瓷造成機械損傷。

公開號為CN101476970A的中國發明專利公開了一種基于壓電陶瓷的底座激勵裝置，在該裝置中通過十字彈簧片對疊堆壓電陶瓷施加預緊力，并通過將疊堆壓電陶瓷底部安裝在一個可動的底座結構上來減小壓電陶瓷所受到的剪切力，此外，在裝置中還設有壓力傳感器，用來檢測對壓電陶瓷所施加的預緊力以及疊堆壓電陶瓷在工作時的輸出力。但該裝置仍存在下列缺點：

1、該裝置的可動底座結構由上聯接塊、鋼球和下聯接塊組成，鋼球和上聯接塊、下聯接塊之間均為線接觸，當需要補償疊堆壓電陶瓷頂面和底面兩個工作表面的平行度誤差而自行調節可動底座結構時，鋼球無法平滑的轉動，甚至會出現被卡住的狀況；

2、上聯接塊和下聯接塊與套筒之間均無直接聯接，而是采用間隙配合的方式依次安裝到套筒之中，若疊堆壓電陶瓷兩個工作表面的平行度誤差較大，則無足夠的空間去調節可動底座結構；