一种可在真空环境下对MEMS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，特别涉及一种可在真空环境下对MEMS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的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，在需要测试微结构在真空环境下的动态特性时，由于无法在真空环境下进行放电，该装置便无法满足需求。

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真空环境下对MEMS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，便于在真空环境下测试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：

一种可在真空环境下对MEMS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，在安装孔内对应针电极一端通过第一压板密封压装有弹性底座，弹性底座夹持在第一压板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，在弹性底座外侧中心孔内通过绝缘套镶装有板电极，弹性底座内侧通过微结构安装板安装有MEMS微结构；在安装孔内另一端通过第二压板密封压装有光学玻璃板，所述安装孔通过光学玻璃板和弹性底座形成一个密闭腔体，所述MEMS微结构位于该密闭腔体内；在安装套外壁沿径向设有一个与密闭腔体相通的真空接头；

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，所述第一压板通过圆周均布的螺钉固定在安装孔内对应针电极一端的端口内，在安装套内对应第一压板一端的环形阶梯面上设有圆形定位卡槽，所述弹性底座通过间隙配合设在定位卡槽内并通过圆周均布在第一压板上的顶丝固定。

作为进一步优选，在所述安装孔内两端的环形阶梯面与光学玻璃板和弹性底座之间分别夹设有密封圈，以提高密闭腔体的密封性。

作为进一步优选，所述弹性底座的中心孔为锥形盲孔，所述绝缘套外缘为锥形且与所述锥形盲孔锥度配合插接并粘接，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，所述微结构安装板通过圆周均布的螺钉连接在弹性底座内侧的中心处，MEMS微结构粘接在微结构安装板上。

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安装板产生变形，也就不会出现微结构和微结构安装板相脱离的现象。

(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与板电极的相对位置，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光学玻璃板和弹性底座形成一个密闭腔体，所述MEMS微结构位于该密闭腔体内，在安装套外壁设有真空接头，因此可通过真空接头对MEMS微结构加载真空环境，并可以通过放电产生激波对微结构进行激励；将弹性底座设计成密闭腔体的一部分，解决了在真空环境下无法使用激波对MEMS微结构进行激励的难题。

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是本发明的电路方框图。

图中：1.基板，2.手动三轴位移台，3.底板，4.螺钉，5.微结构单元，501.真空接头，502.安装套，503.螺钉，504.第一压板，505.顶丝，506.弹性底座，507.板电极，508.绝缘套，509.螺钉，510.第二压板，511.光学玻璃板，512.密封圈，513.MEMS微结构，514.螺钉，515.微结构安装板，6.针电极单元，601.直角连接板，602.步进电机，603.螺钉，604.螺钉，605.支撑板，606.导向轴，607.丝母，608.螺钉，609.轴套，610.传动板，611.顶丝，612.陶瓷管，613.针电极，614.丝杠，7.法兰盘，8.支座，9.第一空气开关，10.第二空气开关，11.高压电容，12.高压电源。

具体实施方式

如图1-图3所示，本发明涉及的一种可在真空环境下对MEMS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之间通过使用螺钉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7所示，所述微结构单元5包括安装在支座8上端的安装套502，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502底面上的螺孔通过螺纹连接。在安装套502内设有阶梯状安装孔，安装孔中部内径远小于其两端端口内径，在安装孔内对应针电极613一端通过第一压板504密封压装有弹性底座506，弹性底座506夹持在第一压板504与安装孔内的环形阶梯之间，弹性底座506为圆环形薄片状并在其中部设有环形凸台，在弹性底座506的中心孔内对应针电极613一端通过绝缘套508镶装有板电极507，弹性底座506内侧通过微结构安装板515安装有MEMS微结构513；在安装孔内另一端通过第二压板510密封压装有光学玻璃板511，所述安装孔通过光学玻璃板511和弹性底座506形成一个密闭腔体，所述MEMS微结构513位于该密闭腔体内；在安装套502外壁沿径向安装有一个与密闭腔体相通的真空接头501。

所述第一压板504通过圆周均布的螺钉503固定在安装孔内对应针电极613一端的端口内，在安装套502内对应第一压板504一端的环形阶梯面上设有圆形定位卡槽，所述弹性底座506通过间隙配合设在定位卡槽内并通过圆周均布在第一压板504上的顶丝505固定，通过旋紧顶丝可进一步压紧弹性底座506。所述第二压板510通过圆周均布的螺钉509与安装套502连接并将光学玻璃板511固定在所述安装孔另一端的端口内。在所述安装孔内两端的环形阶梯面与光学玻璃板511和弹性底座506之间分别夹设有密封圈512，以提高密闭腔体的密封性。

所述弹性底座506的中心孔为锥形盲孔，所述绝缘套508外缘为锥形且与所述锥形盲孔锥度配合插接并粘接，绝缘套508内壁与板电极507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507安装的牢固性。所述绝缘套508优选为陶瓷套。所述微结构安装板515中心设有通孔并通过圆周均布的螺钉514连接在弹性底座506内侧的中心处，MEMS微结构513粘接在微结构安装板515上。

如图8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507分别与高压电容11的两极通过导线电联接，在板电极507上设有用于连接导线的螺孔。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507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，使用真空泵连接真空接头501，对所述密闭腔体内部抽真空；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507，当针电极613的针尖和板电极507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微结构在真空环境下的冲击激励。

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。