一種可對MEMS微結構表面指定區域進行激勵的裝置及其激勵方法與流程

2023-06-13 01:04:46 1

本發明屬於微型機械電子系統技術領域，特別涉及一種可對MEMS微結構表面指定區域進行激勵的裝置及其激勵方法。

背景技術：

由於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。對於很多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。由於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。近二十年來，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，研究出了一些可用於MEMS微結構的激勵方法以及相應的激勵裝置。其中，以超聲波作為激勵源的激勵方法具有非接觸性、非破壞性和激勵帶寬大等優點，具備很好的應用潛力，但同時也存在著一些問題需要解決。Kang等在《Dynamic characterization of MEMS structures by ultrasonic wave excitation》一文中介紹了使用40kHz的功率超聲換能器發射超聲波對微結構進行激勵的方法，該方法的缺點在於功率超聲波的熱效應十分顯著，會導致微結構內部迅速的溫升，從而會改變微結構的動態特性，並且該方法沒有對超聲波進行聚焦，因此無法對微結構表面的指定區域進行激勵；Huber等在《Mode-selective noncontact excitation of microcantilevers and microcantilever arrays in air using the ultrasound radiation force》一文中介紹了使用一個中心頻率為500kHz的點聚焦空氣耦合超聲探頭對微結構進行超聲激勵的方法，該方法的主要缺點在於超聲波聚焦之後的焦區直徑尺寸約為3毫米，這遠大於微結構的結構尺寸，因此無法對尺寸較小的微結構表面指定區域進行激勵，並且當對微結構進行激勵時可能同時會對微結構的基底和安裝結構產生激勵，導致檢測到的微結構振動響應信號的信噪比較低。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是提供一種可對MEMS微結構表面指定區域進行激勵的裝置及其激勵方法，能夠對尺寸較小的微結構表面指定區域進行激勵，可提高檢測到的微結構振動響應信號的信噪比。

為解決上述問題，本發明採用如下技術方案：

一種可對MEMS微結構表面指定區域進行激勵的裝置，包括基板，其特殊之處是：在基板上設有四個手動三軸位移臺，超聲探頭單元、雷射器單元、遮擋板和微結構單元依次安裝在四個手動三軸位移臺上；

所述超聲探頭單元包括安裝在第一手動三軸位移臺上的探頭安裝板，在探頭安裝板的懸臂端設有點聚焦空氣耦合超聲探頭；用於發射超聲波對MEMS微結構表面指定位置進行非接觸式的激勵；

所述雷射器單元包括安裝在第二手動三軸位移臺上的固定板，在固定板上通過銷軸鉸接有轉動板，在轉動板上設有疊加在一起且旋轉軸相互垂直的第一手動角位移臺和第二手動角位移臺，在第二手動角位移臺上通過雷射器安裝板安裝有雷射器；用於發射雷射通過遮擋板投射到微結構單元來模擬超聲波激振力的作用區域；

所述遮擋板安裝在第三手動三軸位移臺上，在遮擋板的懸臂端設有一個圓錐孔，圓錐孔底面中心設有一個小直徑微孔，用於遮擋點聚焦空氣耦合超聲探頭髮射的超聲波，使超聲波只能通過微孔作用到微結構上；

所述微結構單元包括安裝在第四手動三軸位移臺上的第一連接板，在第一連接板上設有疊加在一起且旋轉軸相互垂直的第三手動角位移臺和第四手動角位移臺，在第四手動角位移臺上設有第二連接板，在第二連接板的懸臂端通過微結構安裝板安裝有MEMS微結構，MEMS微結構靠近遮擋板的微孔一側；

所述點聚焦空氣耦合超聲探頭、雷射器、遮擋板和MEMS微結構依次排列。

作為進一步優選，所述遮擋板的懸臂端為四稜錐臺狀，在遮擋板懸臂端的四個錐面上圍繞圓錐孔均布設有四個斜孔，四個斜孔的軸線交點位於圓錐孔底面的微孔一側軸線上，在每個斜孔內分別安裝有圖像傳感器

作為進一步優選，所述斜孔的軸線與遮擋板底面的夾角為45度。

作為進一步優選，在探頭安裝板的懸臂端設有一個通孔，所述點聚焦空氣耦合超聲探頭插入該通孔內並通過頂絲固定。

作為進一步優選，在固定板和轉動板上分別設有相互間隙配合的矩形凹槽和凸臺且相互插接，所述銷軸位於固定板上的矩形凹槽一端槽口處，使轉動板可圍繞銷軸旋轉180度。

作為進一步優選，在雷射器安裝板的懸臂端設有一個安裝孔，所述雷射器插入到安裝孔內並通過頂絲固定。

作為進一步優選，所述微孔的直徑為80微米。

一種可對MEMS微結構表面指定區域進行激勵的裝置的激勵方法，包含步驟如下：

1、調節第一手動三軸位移臺和第三手動三軸位移臺，使遮擋板上的微孔位於點聚焦空氣耦合超聲探頭的聚焦區域內；

2、翻轉雷射器單元的轉動板與固定板處於插接的工作狀態，使雷射器處於點聚焦空氣耦合超聲探頭與遮擋板之間，再調節第二手動三軸位移臺、第一手動角位移臺和第二手動角位移臺，使雷射器發射的雷射束能夠從遮擋板上的微孔射出；

3、調節第四手動三軸位移臺、第三手動角位移臺和第四手動角位移臺，使MEMS微結構貼近遮擋板上的微孔，並使雷射器發射出的雷射投射到MEMS微結構表面；

4、調節第四手動三軸位移臺、第三手動角位移臺和第四手動角位移臺改變雷射投射的光斑在MEMS微結構表面的相對位置，並通過四個圖像傳感器同時獲取光斑位於MEMS微結構表面的圖像信息；

5、當將雷射光斑調整到MEMS微結構表面的指定位置後，翻轉轉動板180度，使雷射器離開點聚焦空氣耦合超聲探頭與遮擋板之間；

6、使用脈衝信號或正弦掃頻信號驅動點聚焦空氣耦合超聲探頭髮射超聲波，通過遮擋板上的微孔對MEMS微結構表面指定位置進行非接觸式的激勵。

本發明的有益效果是：由於在點聚焦空氣耦合超聲探頭和MEMS微結構之間設置了遮擋板，超聲波只能通過遮擋板上的微孔作用到MEMS微結構上，因此，超聲波激振力在MEMS微結構表面的作用區域的尺寸被大大減小，使作用區域的尺寸能夠和MEMS微結構的尺寸相匹配，解決了在使用超聲波對MEMS微結構進行激勵時，也同時對微結構基底以及安裝結構產生激勵的難題，提高了所獲得的振動響應信號的信噪比；此外，通過利用雷射器的雷射光斑來模擬超聲波激振力的作用區域，並由四個圖像傳感器獲取雷射光斑在MEMS微結構上的位置信息，使改變超聲波激振力在MEMS微結構表面的作用區域變得更加容易、準確。

附圖說明

圖1是本發明的立體結構示意圖。

圖2是本發明的俯視圖。

圖3是超聲探頭單元的結構示意圖。

圖4是雷射器單元處於工作狀態下的結構示意圖。

圖5是雷射器單元翻轉後的結構示意圖。

圖6是遮擋板的立體結構示意圖。

圖7是遮擋板的結構剖視圖。

圖8是圖7的B部放大圖。

圖9是本發明微結構單元的立體結構示意圖。

圖10是本發明微結構單元的平面結構示意圖。

圖11是圖10的局部剖視圖。

圖中：基板1，第四手動三軸位移臺2，第三手動三軸位移臺3，第一手動三軸位移臺4，第二手動三軸位移臺5，超聲探頭單元6，探頭安裝板61，點聚焦空氣耦合超聲探頭62，頂絲63，雷射器單元7，固定板71，轉動板72，第二手動角位移臺73，第一手動角位移臺74，螺釘75，雷射器安裝板76，頂絲77，雷射器78，遮擋板8，圓錐孔81，微孔82，斜孔83，圖像傳感器84，螺釘85，微結構單元9，MEMS微結構91，微結構安裝板92，螺釘93，螺釘94，第二連接板95，第四手動角位移臺96，第三手動角位移臺97，第一連接板98，通孔99。

具體實施方式

如圖1和圖2所示，本發明涉及的一種可對MEMS微結構表面指定區域進行激勵的裝置，包括基板1，在基板1上設有四個呈矩形分布的手動三軸位移臺，依次為第一手動三軸位移臺4、第二手動三軸位移臺5、第三手動三軸位移臺3和第四手動三軸位移臺2，超聲探頭單元6、雷射器單元7、遮擋板8和微結構單元9依次安裝在第一～第四手動三軸位移臺上。

如圖3所示，所述超聲探頭單元6包括通過螺釘安裝在第一手動三軸位移臺4的Z軸溜板上的探頭安裝板61，在探頭安裝板61的懸臂端設有一個通孔，點聚焦空氣耦合超聲探頭62插入該通孔內並通過頂絲63固定；用於發射超聲波對MEMS微結構91表面指定位置進行非接觸式的激勵。

如圖4和圖5所示，所述雷射器單元7包括通過螺釘安裝在第二手動三軸位移臺5的Z軸溜板上的固定板71，在固定板71上通過銷軸鉸接有轉動板72，在固定板71和轉動板72上分別設有相互間隙配合的矩形凹槽和凸臺且相互插接，所述銷軸位於固定板71上的矩形凹槽一端槽口處，使轉動板72可圍繞銷軸旋轉180度。在轉動板72上對應遮擋板8一側安裝有疊加在一起且旋轉軸相互垂直的第一手動角位移臺74和第二手動角位移臺73，在第二手動角位移臺73上通過螺釘75固定有雷射器安裝板76，雷射器安裝板76的懸臂端設有一個安裝孔，雷射器78插入到該安裝孔內並通過頂絲77固定；用於發射雷射通過遮擋板8投射到微結構單元9來模擬超聲波激振力的作用區域。

如圖6～圖8所示，所述遮擋板8通過螺釘固定在第三手動三軸位移臺3的Z軸溜板上，遮擋板8的懸臂端為四稜錐臺狀，在遮擋板8的懸臂端設有一個圓錐孔81，圓錐孔81底面中心設有一個小直徑微孔82，微孔82的直徑優選為80微米，用於遮擋點聚焦空氣耦合超聲探頭62發射的超聲波，使超聲波只能通過微孔82作用到微結構上。在遮擋板8懸臂端的四個錐面上圍繞圓錐孔81均布設有四個階梯狀斜孔83，四個斜孔83的軸線交點位於圓錐孔81底面的微孔82一側軸線上，在每個斜孔83內分別通過螺釘85安裝有圖像傳感器84。所述斜孔83的軸線與遮擋板8底面的夾角為45度。

如圖9～圖11所示，所述微結構單元9包括通過螺釘安裝在第四手動三軸位移臺2的Z軸溜板上的第一連接板98，在第一連接板98上固定有疊加在一起且旋轉軸相互垂直的第三手動角位移臺97和第四手動角位移臺96，在第四手動角位移臺96上通過螺釘94固定有第二連接板95，在第二連接板95的懸臂端通過圓周均布的螺釘93固定有法蘭狀微結構安裝板92，在微結構安裝板92上粘接有MEMS微結構91，MEMS微結構91靠近遮擋板8的微孔82一側。在微結構安裝板92和第二連接板95上對應MEMS微結構91的測試端分別設有相互對應的通孔99，以便使用光學測振裝置進行測試。

所述點聚焦空氣耦合超聲探頭62、雷射器78、遮擋板8和MEMS微結構91依次排列。

本發明涉及的一種可對MEMS微結構表面指定區域進行激勵的裝置的激勵方法，包含步驟如下：

1、手動調節第一手動三軸位移臺4和第三手動三軸位移臺3，使遮擋板8上的微孔82位於點聚焦空氣耦合超聲探頭62的聚焦區域內；

2、翻轉雷射器單元7的轉動板72與固定板71處於插接工作狀態，使雷射器78處於點聚焦空氣耦合超聲探頭62與遮擋板8之間，再通過調節第二手動三軸位移臺5、第一手動角位移臺74和第二手動角位移臺73來調節雷射器78的位置，使雷射器78發射的雷射束能夠從遮擋板8上的微孔82射出；

3、手動調節第四手動三軸位移臺2、第三手動角位移臺97和第四手動角位移臺96，使MEMS微結構91貼近遮擋板8上的微孔82，並使雷射器78發射出的雷射投射到MEMS微結構91表面；

4、調節第四手動三軸位移臺2、第三手動角位移臺97和第四手動角位移臺96改變雷射投射的光斑在MEMS微結構91表面的相對位置，並通過四個圖像傳感器84同時獲取光斑位於MEMS微結構91表面的圖像信息；

5、當將雷射光斑調整到MEMS微結構91表面的指定位置後，翻轉轉動板180度，使雷射器78離開點聚焦空氣耦合超聲探頭62與遮擋板8之間；

6、使用脈衝信號或正弦掃頻信號驅動點聚焦空氣耦合超聲探頭62發射超聲波，通過遮擋板8上的微孔82實現對MEMS微結構表面指定位置進行非接觸式的激勵。

儘管本發明的實施方案已公開如上，但其並不僅僅限於說明書和實施方式中所列運用，它完全可以被適用於各種適合本發明的領域，對於熟悉本領域的人員而言，可容易地實現另外的修改，因此在不背離權利要求及等同範圍所限定的一般概念下，本發明並不限於特定的細節和這裡示出與描述的圖例。