一种在线微型振动台的制作方法

本发明涉及一种压电材料制成的振动台，尤其是涉及一种在线微型振动台。

背景技术：

大型振动台的研究和应用已经持续了很久了，但是随着在20世纪70年代末MEMS技术在美国和日本的商业化浪潮的兴起，作为应用于MEMS传感器或微位移输出装置的微型振动台越来越占有重要的地位。而微型振动台是属于MEMS技术中的一个单元，主要包括微马达、微谐振器等，用来产生力并实现位移。MEMS的起源可追溯到20世纪50年代，人们发现半导体Si的压阻效应后开始了对Si传感器的研究工作。到1987年，冯龙生等人研制出可动的硅微型静电电机，使人类从传感器研究转向真正的MEMS研究。美国加州大学伯克利分校于1988年用硅片刻蚀工艺研制出转子直径为60-120μm的静电微电机，在世界上引起震动和学术界的重视，各工业发达国家相继开展了微机电系统的研究，中国的MEMS研究始于1989年，在国家“八五”至“十五”期间得到政府和各部门立项经费达5亿元。我们MEMS研发单位主要集中在高等院校和研究院。随着社会和科技的发展，精密加工和超精密加工是先进制造领域的重要方向之一，它的发展是其他尖端技术的基础，是推动整个科技向更高层次发展的重要手段，也是现阶段必须突破的关键技术。我国从“九五”规划开始，己将其列为关键技术之一。其中微型执行器既可构成微机械的动力部分，亦可成为微机械的操作或执行机构。国内外的著名大学和实验室都将有关微执行器的设计、加工制造技术及测控技术等研究作为超精密加工技术和微机械技术研究的一个重要方向和突破口。

在研制微执行器或者微结构的技术中，压电材料有很大的活跃性，它既具备感知功能，又具备响应功能，且具有易于智能化、集成化和微型化的特点，成为近年来功能材料方面研究的热点。基于压电材料为驱动元件的微执行器已在现代精密加工、航空、航天飞行器、医学、建筑和工程及机器人等领域得到应用。其最大的特点是微米，纳米量级的位移或运动提供了新手段和新途径，并具有线性好，控制方便，位移分辨率高，频率响应好，不发热及无噪声等优点，所以压电微执行器已经成为一种理想的微位移驱动装置，日本是最早进行压电微执行器技术研究的国家之一。其中DENSO公司研制的用于工业管道自动化检测的微型机器人使用了压电元件作为执行器，只是世界上最早将压电微执行器用于机器人上，并取得了很好的效果，随后德国Karlsrule大学用压电驱动器作为驱动单元研制成功的定位机器人可实现3自由度的运动，起最大线性速度为0.02m/min，旋转速度为1r/min，驱动电压为-20到+20V，运动精度为175nm。美国加利福尼亚大学结合仿生学原理，研制了用于微飞行昆虫的振翅压电微执行器。该执行器为压电双晶片型，质量为15mg，驱动电压为200V，机械传动效率高达95％，执行器的振动频率可达150Hz。驱动器的最大速度为0.9mm/s，最大步长为36μm，最小步长0.142μm。韩国的Ryu等人在1999年就研制出分辨力达7～8nm的微定位工作台。

微执行器在超精密加工中的广泛应用将推动超精密加工技术朝着高精度、智能化和数字化方向发展，最终使之成为现代制造业的主导。我国在这方面的研究起步比较晚，导致相关技术与其他国家相比发展相对落后，但近年来我国的功能材料驱动微执行器技术研究进步很快。我国在压电材料及其微执行器技术方面的研究成果已经达到国际先进水平，已取得的研究成果主要有中国科学院长春光学精密机械研究所以压电陶瓷微位移执行器。该执行器用在两个方面：一是对工作台的微动台进行驱动，目的是为了解决工作台定位的准确性，另一个是对导轨直线进行误差补偿。天津大学利用压电陶瓷作为微位移执行器，研制的微进给工作台，其位移最大可达15μm，分辨率为0.1μm。同济大学根据“尺蠖式”进给原理，研制了“双脚步推式”压电执行器，利用该执行器研制了在大范围具有高分辨率、能连续平稳进给的微型进给机构。上海交通大学研制了很多用于驱动管道机器人的压电执行器，如弹性足式压电驱动管道机器人的压电执行器，如弹性足式压电驱动器等。上海大学研制了以压电叠堆作为驱动元件的微小夹持器。这些压电微执行器大多在实际中得到应用，并收到很好的效果。中国计量科学研究院的高频振动国家基准始建于上世纪70年代末，该振动台存在的主要问题是在工作频段范围内(2—50kHz)有2个谐振峰，高频基准在谐振峰频段内无法进行量值传递。基于原高频振动台存在的缺陷，通过对振动台进行全面优化设计，并用施加准确预应力的方法代替环氧树脂粘结法，使新研制的振动台的失真度、谐振峰这2个关键技术指标都有很大改善。

随着精密加工技术的不断推进，一些重要的设备在组装完成之后在失效之前不可以拆卸检查各个部件，无法实现对其中某些传感器或者其他的利用位移工作的微型设备的检查。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可实现在不拆卸设备的情况下测试传感器的在线微型振动台。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种在线微型振动台，包括反馈层、振动主体、粘合层、正弦驱动电路和反馈控制电路，所述的反馈层、振动主体和粘合层依次叠加，所述的反馈层为单层压电片，用于放置传感器，所述的振动主体为多层压电片，所述的多层压电片在电气上为并联连接，所述的粘合层带有粘性，用于粘附在设备表面，所述的正弦驱动电路与振动主体连接，所述的反馈控制电路分别与反馈层和正弦驱动电路连接；

所述的振动台与设备连接后，在对传感器进行测试时，所述的正弦驱动电路为振动主体施加正弦电压，所述的反馈层将振动主体的振动转化为电信号，并输出给反馈控制电路，所述的反馈控制电路将反馈控制信号发送给正弦驱动电路以消除谐波，振动台的振动传递给传感器，用于对传感器进行功能测试。

所述的反馈控制电路包括放大电路和控制器，所述的放大电路的正输入端和负输入端与反馈层的正极和负极对应连接，放大电路输出端与控制器的输入端连接，控制器的输出端与正弦驱动电路连接。

所述的反馈层设上有穿孔，所述的穿孔用于放大电路的一个输入端与反馈层的靠内侧的电极之间的连接。

所述的反馈层与振动主体的压电片厚度相同。

所述的正弦驱动电路的输出为小于或等于5V的正弦电压。

所述的反馈层、振动主体和粘合层依次叠加成长方体形。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)使用本振动台，不需要将待测传感器从设备上拆卸下来，就可以对传感器进行精准的驱动，实现对传感器的在线测试，通过反馈控制消除了驱动信号的谐波，提高测试精度。

(2)振动主体的多层压电片并联连接，因此只需要一个很小的驱动电压就可以实现较大的振幅，提高反馈层输出电压的幅值。

(3)反馈控制电路包括放大电路，将电压信号放大，有利于消除谐波便于计算分析。

(4)反馈层设上有穿孔，用于放大电路的一个输入端与反馈层的靠内侧的电极之间的连接，接线方便。

(5)反馈层与振动主体的压电片厚度相同，制作工艺上面，两种压电片厚度一样方便生产制作，成本低。

(6)反馈层、振动主体和粘合层依次叠加成长方体形，振动主体中各压电片的相同电极可引至长方体的同一个侧面，有利于正弦驱动电路接线的方便。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本实施例反馈层结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

如图1所示，一种在线微型振动台，包括反馈层1、振动主体2、粘合层3、放大电路4、正弦驱动电路5和控制器6，反馈层1、振动主体2和粘合层3依次叠加成长方体形，反馈层1为单层压电片，用于放置传感器7，振动主体2为多层压电片，多层压电片在电气上为并联连接，粘合层3带有粘性，用于粘附在设备表面，正弦驱动电路5与振动主体2连接，放大电路4的正输入端和负输入端与反馈层1的正极和负极对应连接，放大电路4输出端与控制器6的输入端连接，控制器6的输出端与正弦驱动电路5连接；

振动台与设备连接后，在对传感器7进行测试时，正弦驱动电路5为振动主体2施加5V的正弦电压，反馈层1将振动主体2的振动转化为电信号，并通过放大电路4输出给控制器6，控制器6将反馈控制信号发送给正弦驱动电路5以消除谐波，振动台的振动传递给传感器7，用于对传感器7进行功能测试。

在线微型振动台的规格为长6mm，宽5mm，高1-1.2mm左右的长方体形状，主体结构分为三部分，最上面的为反馈层1，该层为单独设计的厚度为0.05mm的压电层，反馈层1的作用是利用其正压电效应，将整个微型振动台的振动状态通过反馈层1上的电信号读取出来，如果振动台的振动状态并不是需要的或者与要求的有误差，通过反馈控制可以实现对于加到振动台上的电压信号的修正，达到预期的振动状态。中间部分为本在线微型振动台的主体，它是产生振动的原因，这部分是由20层且每层厚0.05mm的压电片堆叠在一起，从两个侧面分别引出两个电极，正极和负极，实现所有的压电片并联。最下面的部分为一层粘合层3，本身不需要该层产生压电效应或者逆压电效应，目的是将振动台与应用的设备实现更好的粘合，并且保证粘合不会出现问题，此微型振动台为在线的，即装到设备上就不会拆除掉，确保其在一定的时限内的有效性。

反馈层11设上有穿孔，穿孔用于放大电路44的一个输入端与反馈层11的靠内侧的电极之间的连接。如图2所示，正极A为正面的一块区域，负极B是通过背面的一块负极区域中边角部分打一个小洞将电极引到正面来。

本实施例振动台2的主要指标：

尺寸：长宽厚＝6×5×1～1.2mm

材料：PZT5或PZT8

振动台位移：＞20nm

振动台频率：1KHz～40KHz

驱动电压：小于5V

负载能力：主要驱动加速度计

在对传感器进行测试时，由于驱动电路或者振动，标准的正弦信号会有谐波产生，除基波之外，二次谐波和三次谐波是比较主要的成分，因此加入反馈控制但消除掉谐波，实现一个标准正弦信号或者其他信号的振动。

对于整个振动台实现反馈控制，其中振动台本身具有输入驱动电路，在振动台最上面一层的反馈压电层充当传感器的角色，将下面振动台的振动状态用电信号反应出来，经过放大电路4放大得到的电信号送入控制器6中进行分析计算，最后将控制信号加入到振动台的驱动电路中，实现振动台的正弦振动或者其他形式信号的振动。具体为：首先通过放大电路4将信号放大后在控制器6中对信号做FFT分析，得到反馈信号的频谱，并且得到谐波量的分布和相位，然后利用控制器6输出相反相位的电压信号添加到振动台驱动电路中，实现修正振动台状态，反馈算法利用PID控制算法，逐步修正振动状态，最终实现稳态误差为零。

对传感器的测试包括以下几步：

第一步：设备组装完成之后，首先打开振动台驱动电路提供给振动台5V电压的信号。

第二步：振动台施加电压之后振动会启动，振动台驱动最上层的反馈压电片做相应的振动。振动台之间采用的是并联，驱动电压只需要加5V就可以实现所有的20层压电片都施加了5V的电压。

第三步：反馈层1振动后，由于正压电效应，会产生电信号，通过设计的正负电极将电信号引出。反馈层1是本发明的重点，利用压电片作为传感器并将其电压信号进行放大。

第四步：将反馈层1的电信号引入到放大电路4中，反馈层1产生的电信号比较小不利于分析计算，需要放大。放大电路4这里可以用任何能够放大电压信号的都可以。

第五步：将放大的信号输入到控制器6中，利用FFT分析其频谱，得到谐波分量的相位，根据相应的相位通过控制器6生成相应的反相位的电压信号并输出。控制算法使用PID控制算法。

第六步：将控制器6输出的反相位谐波电压信号施加到振动台驱动电路上。

第七步：通过反馈控制，将振动状态调节至一个消除谐波量影响的正弦振动，消除稳态误差。

第八步：测试传感器的输出数据，与驱动信号进行比较，判断传感器是否正常工作。