[发明专利]一种可在水中对MEMS微结构进行激励的聚焦激波激励装置

说明书

技术领域

本发明属于微型机械电子系统技术领域，特别涉及一种可在水中对MEMS微结构进行激励的聚焦激波激励装置。

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。此外，对MEMS微结构的动态特性测试需要考虑到其实际应用时的工作环境，比如高温环境、低温环境、高加速度环境、腐蚀性气体环境、液体环境、真空环境等。由于很多MEMS传感器和执行器是在水中进行工作的，因此，如何测试MEMS微结构在水中工作时的动态特性成为国内外研究人员关注的焦点。

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。不过该装置的工作原理是利用针电极和板电极在空气中进行放电所产生的激波对微结构进行激励的，因此无法应用在水中对微结构进行激励，此外，该装置使用了底座激励的方式对微结构进行激励，因此当采用非接触式的光学测振方法对微结构的动态特性进行测试时，所获得的振动响应信号里不可避免地会包含底座结构的振动响应，这会使获取微结构的动态特性参数变得十分困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可在水中对MEMS微结构进行激励的聚焦激波激励装置，该装置不仅能够实现在水中对MEMS微结构进行激励，而且能够避免底座结构的振动响应对测试结果的干扰，实现了对MEMS微结构的非接触式激励，激励效果好，便于水中测试MEMS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：

一种可在水中对MEMS微结构进行激励的聚焦激波激励装置，包括基板，在基板上设有支座和用于盛装水的椭球腔体，所述椭球腔体是由下腔体和上腔体密封连接而成，所述上腔体上端敞口使椭球腔体的内腔形成竖直布置的多半个椭球面，该椭球面的第一焦点位于下腔体内，第二焦点位于上腔体内；

在下腔体底部的中心孔内密封连接有支撑座，支撑座上端插入到下腔体内，在支撑座上端连接有连接套，在连接套上通过螺纹连接有安装座，在安装座上端轴向对称设有二个斜孔，二个斜孔的轴线在安装座上方相交，在二个斜孔内分别设有外套绝缘套的针电极；所述安装座的轴线垂直于所述椭球面第一焦点处的横截面且穿过椭球面的第一焦点，二个针电极的针尖位于所述椭球面第一焦点处的横截面上；

在所述支座上设有手动三轴位移台，在手动三轴位移台的Z轴溜板上通过一个悬垂吊架安装有微结构单元，微结构单元插入到上腔体内且位于椭球面的第二焦点处；该微结构单元包括与悬垂吊架下端连接的固定板，在固定板的中心设有阶梯状安装孔，在安装孔内可拆卸安装有微结构安装板，在微结构安装板上设有MEMS微结构；

二个针电极分别与高压电容的两极电联接，在高压电容与一个针电极之间设有第一空气开关，二个针电极的针尖之间的距离小于高压电容充分充电后在水中的最大击穿间隙；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，所述绝缘套为陶瓷管并通过顶丝固定在二个斜孔内。

作为进一步优选，在连接套内设有压力弹簧，压力弹簧上端顶在安装座的螺孔内底部。

作为进一步优选，所述微结构安装板通过圆周均布的螺钉固定在安装孔内阶梯处的环形平面上，在微结构安装板上设有与所述安装孔底部小孔相对应的通孔，MEMS微结构粘接在微结构安装板上。

作为进一步优选，所述下腔体底部的中心孔为阶梯状，所述支撑座外缘为阶梯状且通过圆周均布的螺钉固定在下腔体底部的中心孔内，在支撑座上的阶梯卡沿与下腔体中心孔的内阶梯之间设有第一密封圈。

作为进一步优选，所述下腔体和上腔体相互插接并通过螺钉连接，在下腔体上端与上腔体下端的内阶梯之间设有第二密封圈。