[發(fā)明專利]一種基于底座激勵方法的MEMS微結(jié)構(gòu)三軸式激振裝置

有效

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• 申請日: 2017-12-16
• 公開（公告）號: CN108168817B
• 公開（公告）日: 2019-06-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 佘東生;倫淑嫻;魏澤飛;王巍;郭兆正;周建壯
• 申請（專利權(quán)）人: 渤海大學(xué)
• 主分類號: G01M7/02
• 分類號: G01M7/02;B81B7/02
• 代理公司: 錦州遼西專利事務(wù)所(普通合伙) 21225
• 代理人: 張旭存

本發(fā)明公開了一種基于底座激勵方法的MEMS微結(jié)構(gòu)三軸式激振裝置，包括套筒，壓電陶瓷，壓力傳感器，上、下聯(lián)接塊以及彈性支撐件和MEMS微結(jié)構(gòu)；在套筒兩端設(shè)有環(huán)形頂板和底板，微結(jié)構(gòu)通過彈性支撐件設(shè)在環(huán)形頂板上；在環(huán)形頂板和底板之間均布有導(dǎo)向軸，下聯(lián)接塊設(shè)有導(dǎo)向支臂且由套筒壁穿過并套在導(dǎo)向軸上，在導(dǎo)向支臂上分別設(shè)有鎖緊裝置；在上、下聯(lián)接塊上分別設(shè)有相互配合的球面凹槽和凸起；壓電陶瓷夾在壓力傳感器與彈性支撐件之間；上聯(lián)接塊外緣通過球頭柱塞頂入套筒內(nèi)壁。該裝置能夠?qū)弘娞沾墒┘硬煌笮〉念A(yù)緊力，使所獲得的預(yù)緊力測量值更加準確，可使補償壓電陶瓷兩工作表面平行度誤差的調(diào)節(jié)過程變得更加順暢和平滑，便于測試動態(tài)特性參數(shù)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于微型機械電子系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于底座激勵方法的MEMS微結(jié)構(gòu)三軸式激振裝置。

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。近三十年來，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，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(yōu)點，因此在MEMS微結(jié)構(gòu)動態(tài)特性測試領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)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(jié)構(gòu)，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(dǎo)致疊堆壓電陶瓷的損壞，當(dāng)疊堆壓電陶瓷在使用時，對其施壓一定的預(yù)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(yù)緊力的問題，使用了壓板、底座和調(diào)節(jié)螺釘組成的機構(gòu)來壓緊疊堆壓電陶瓷，并可通過旋擰調(diào)節(jié)螺釘來改變預(yù)緊力的大小，但該裝置并未考慮到在使用上述機構(gòu)對疊堆壓電陶瓷施加預(yù)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(chǎn)生剪切力，該剪切力會對疊堆壓電陶瓷產(chǎn)生機械損傷，此外，該裝置無法測量所施加預(yù)緊力的大小，如果調(diào)節(jié)不當(dāng)，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(fā)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(yù)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(jié)構(gòu)上來減小壓電陶瓷所受到的剪切力，此外，在裝置中還設(shè)有壓力傳感器，用來檢測對壓電陶瓷所施加的預(yù)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(jié)構(gòu)由上聯(lián)接塊、鋼球和下聯(lián)接塊組成，鋼球和上聯(lián)接塊、下聯(lián)接塊之間均為線接觸，當(dāng)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(diào)節(jié)可動底座結(jié)構(gòu)時，鋼球無法平滑的轉(zhuǎn)動，甚至?xí)霈F(xiàn)被卡住的狀況；

2、上聯(lián)接塊和下聯(lián)接塊與套筒之間均無直接聯(lián)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(diào)節(jié)可動底座結(jié)構(gòu)；