一种可对MEMS微结构表面指定区域进行激励的装置及其激励方法与流程

本发明属于微型机械电子系统技术领域，特别涉及一种可对MEMS微结构表面指定区域进行激励的装置及其激励方法。

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，以超声波作为激励源的激励方法具有非接触性、非破坏性和激励带宽大等优点，具备很好的应用潜力，但同时也存在着一些问题需要解决。Kang等在《Dynamic characterization of MEMS structures by ultrasonic wave excitation》一文中介绍了使用40kHz的功率超声换能器发射超声波对微结构进行激励的方法，该方法的缺点在于功率超声波的热效应十分显著，会导致微结构内部迅速的温升，从而会改变微结构的动态特性，并且该方法没有对超声波进行聚焦，因此无法对微结构表面的指定区域进行激励；Huber等在《Mode-selective noncontact excitation of microcantilevers and microcantilever arrays in air using the ultrasound radiation force》一文中介绍了使用一个中心频率为500kHz的点聚焦空气耦合超声探头对微结构进行超声激励的方法，该方法的主要缺点在于超声波聚焦之后的焦区直径尺寸约为3毫米，这远大于微结构的结构尺寸，因此无法对尺寸较小的微结构表面指定区域进行激励，并且当对微结构进行激励时可能同时会对微结构的基底和安装结构产生激励，导致检测到的微结构振动响应信号的信噪比较低。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种可对MEMS微结构表面指定区域进行激励的装置及其激励方法，能够对尺寸较小的微结构表面指定区域进行激励，可提高检测到的微结构振动响应信号的信噪比。

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：

一种可对MEMS微结构表面指定区域进行激励的装置，包括基板，其特殊之处是：在基板上设有四个手动三轴位移台，超声探头单元、激光器单元、遮挡板和微结构单元依次安装在四个手动三轴位移台上；

所述超声探头单元包括安装在第一手动三轴位移台上的探头安装板，在探头安装板的悬臂端设有点聚焦空气耦合超声探头；用于发射超声波对MEMS微结构表面指定位置进行非接触式的激励；

所述激光器单元包括安装在第二手动三轴位移台上的固定板，在固定板上通过销轴铰接有转动板，在转动板上设有叠加在一起且旋转轴相互垂直的第一手动角位移台和第二手动角位移台，在第二手动角位移台上通过激光器安装板安装有激光器；用于发射激光通过遮挡板投射到微结构单元来模拟超声波激振力的作用区域；

所述遮挡板安装在第三手动三轴位移台上，在遮挡板的悬臂端设有一个圆锥孔，圆锥孔底面中心设有一个小直径微孔，用于遮挡点聚焦空气耦合超声探头发射的超声波，使超声波只能通过微孔作用到微结构上；

所述微结构单元包括安装在第四手动三轴位移台上的第一连接板，在第一连接板上设有叠加在一起且旋转轴相互垂直的第三手动角位移台和第四手动角位移台，在第四手动角位移台上设有第二连接板，在第二连接板的悬臂端通过微结构安装板安装有MEMS微结构，MEMS微结构靠近遮挡板的微孔一侧；

所述点聚焦空气耦合超声探头、激光器、遮挡板和MEMS微结构依次排列。

作为进一步优选，所述遮挡板的悬臂端为四棱锥台状，在遮挡板悬臂端的四个锥面上围绕圆锥孔均布设有四个斜孔，四个斜孔的轴线交点位于圆锥孔底面的微孔一侧轴线上，在每个斜孔内分别安装有图像传感器

作为进一步优选，所述斜孔的轴线与遮挡板底面的夹角为45度。

作为进一步优选，在探头安装板的悬臂端设有一个通孔，所述点聚焦空气耦合超声探头插入该通孔内并通过顶丝固定。

作为进一步优选，在固定板和转动板上分别设有相互间隙配合的矩形凹槽和凸台且相互插接，所述销轴位于固定板上的矩形凹槽一端槽口处，使转动板可围绕销轴旋转180度。

作为进一步优选，在激光器安装板的悬臂端设有一个安装孔，所述激光器插入到安装孔内并通过顶丝固定。

作为进一步优选，所述微孔的直径为80微米。

一种可对MEMS微结构表面指定区域进行激励的装置的激励方法，包含步骤如下：

1、调节第一手动三轴位移台和第三手动三轴位移台，使遮挡板上的微孔位于点聚焦空气耦合超声探头的聚焦区域内；

2、翻转激光器单元的转动板与固定板处于插接的工作状态，使激光器处于点聚焦空气耦合超声探头与遮挡板之间，再调节第二手动三轴位移台、第一手动角位移台和第二手动角位移台，使激光器发射的激光束能够从遮挡板上的微孔射出；

3、调节第四手动三轴位移台、第三手动角位移台和第四手动角位移台，使MEMS微结构贴近遮挡板上的微孔，并使激光器发射出的激光投射到MEMS微结构表面；

4、调节第四手动三轴位移台、第三手动角位移台和第四手动角位移台改变激光投射的光斑在MEMS微结构表面的相对位置，并通过四个图像传感器同时获取光斑位于MEMS微结构表面的图像信息；

5、当将激光光斑调整到MEMS微结构表面的指定位置后，翻转转动板180度，使激光器离开点聚焦空气耦合超声探头与遮挡板之间；

6、使用脉冲信号或正弦扫频信号驱动点聚焦空气耦合超声探头发射超声波，通过遮挡板上的微孔对MEMS微结构表面指定位置进行非接触式的激励。

本发明的有益效果是：由于在点聚焦空气耦合超声探头和MEMS微结构之间设置了遮挡板，超声波只能通过遮挡板上的微孔作用到MEMS微结构上，因此，超声波激振力在MEMS微结构表面的作用区域的尺寸被大大减小，使作用区域的尺寸能够和MEMS微结构的尺寸相匹配，解决了在使用超声波对MEMS微结构进行激励时，也同时对微结构基底以及安装结构产生激励的难题，提高了所获得的振动响应信号的信噪比；此外，通过利用激光器的激光光斑来模拟超声波激振力的作用区域，并由四个图像传感器获取激光光斑在MEMS微结构上的位置信息，使改变超声波激振力在MEMS微结构表面的作用区域变得更加容易、准确。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图。

图2是本发明的俯视图。

图3是超声探头单元的结构示意图。

图4是激光器单元处于工作状态下的结构示意图。

图5是激光器单元翻转后的结构示意图。

图6是遮挡板的立体结构示意图。

图7是遮挡板的结构剖视图。

图8是图7的B部放大图。

图9是本发明微结构单元的立体结构示意图。

图10是本发明微结构单元的平面结构示意图。

图11是图10的局部剖视图。

图中：基板1，第四手动三轴位移台2，第三手动三轴位移台3，第一手动三轴位移台4，第二手动三轴位移台5，超声探头单元6，探头安装板61，点聚焦空气耦合超声探头62，顶丝63，激光器单元7，固定板71，转动板72，第二手动角位移台73，第一手动角位移台74，螺钉75，激光器安装板76，顶丝77，激光器78，遮挡板8，圆锥孔81，微孔82，斜孔83，图像传感器84，螺钉85，微结构单元9，MEMS微结构91，微结构安装板92，螺钉93，螺钉94，第二连接板95，第四手动角位移台96，第三手动角位移台97，第一连接板98，通孔99。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明涉及的一种可对MEMS微结构表面指定区域进行激励的装置，包括基板1，在基板1上设有四个呈矩形分布的手动三轴位移台，依次为第一手动三轴位移台4、第二手动三轴位移台5、第三手动三轴位移台3和第四手动三轴位移台2，超声探头单元6、激光器单元7、遮挡板8和微结构单元9依次安装在第一～第四手动三轴位移台上。

如图3所示，所述超声探头单元6包括通过螺钉安装在第一手动三轴位移台4的Z轴溜板上的探头安装板61，在探头安装板61的悬臂端设有一个通孔，点聚焦空气耦合超声探头62插入该通孔内并通过顶丝63固定；用于发射超声波对MEMS微结构91表面指定位置进行非接触式的激励。

如图4和图5所示，所述激光器单元7包括通过螺钉安装在第二手动三轴位移台5的Z轴溜板上的固定板71，在固定板71上通过销轴铰接有转动板72，在固定板71和转动板72上分别设有相互间隙配合的矩形凹槽和凸台且相互插接，所述销轴位于固定板71上的矩形凹槽一端槽口处，使转动板72可围绕销轴旋转180度。在转动板72上对应遮挡板8一侧安装有叠加在一起且旋转轴相互垂直的第一手动角位移台74和第二手动角位移台73，在第二手动角位移台73上通过螺钉75固定有激光器安装板76，激光器安装板76的悬臂端设有一个安装孔，激光器78插入到该安装孔内并通过顶丝77固定；用于发射激光通过遮挡板8投射到微结构单元9来模拟超声波激振力的作用区域。

如图6～图8所示，所述遮挡板8通过螺钉固定在第三手动三轴位移台3的Z轴溜板上，遮挡板8的悬臂端为四棱锥台状，在遮挡板8的悬臂端设有一个圆锥孔81，圆锥孔81底面中心设有一个小直径微孔82，微孔82的直径优选为80微米，用于遮挡点聚焦空气耦合超声探头62发射的超声波，使超声波只能通过微孔82作用到微结构上。在遮挡板8悬臂端的四个锥面上围绕圆锥孔81均布设有四个阶梯状斜孔83，四个斜孔83的轴线交点位于圆锥孔81底面的微孔82一侧轴线上，在每个斜孔83内分别通过螺钉85安装有图像传感器84。所述斜孔83的轴线与遮挡板8底面的夹角为45度。

如图9～图11所示，所述微结构单元9包括通过螺钉安装在第四手动三轴位移台2的Z轴溜板上的第一连接板98，在第一连接板98上固定有叠加在一起且旋转轴相互垂直的第三手动角位移台97和第四手动角位移台96，在第四手动角位移台96上通过螺钉94固定有第二连接板95，在第二连接板95的悬臂端通过圆周均布的螺钉93固定有法兰状微结构安装板92，在微结构安装板92上粘接有MEMS微结构91，MEMS微结构91靠近遮挡板8的微孔82一侧。在微结构安装板92和第二连接板95上对应MEMS微结构91的测试端分别设有相互对应的通孔99，以便使用光学测振装置进行测试。

所述点聚焦空气耦合超声探头62、激光器78、遮挡板8和MEMS微结构91依次排列。

本发明涉及的一种可对MEMS微结构表面指定区域进行激励的装置的激励方法，包含步骤如下：

1、手动调节第一手动三轴位移台4和第三手动三轴位移台3，使遮挡板8上的微孔82位于点聚焦空气耦合超声探头62的聚焦区域内；

2、翻转激光器单元7的转动板72与固定板71处于插接工作状态，使激光器78处于点聚焦空气耦合超声探头62与遮挡板8之间，再通过调节第二手动三轴位移台5、第一手动角位移台74和第二手动角位移台73来调节激光器78的位置，使激光器78发射的激光束能够从遮挡板8上的微孔82射出；

3、手动调节第四手动三轴位移台2、第三手动角位移台97和第四手动角位移台96，使MEMS微结构91贴近遮挡板8上的微孔82，并使激光器78发射出的激光投射到MEMS微结构91表面；

4、调节第四手动三轴位移台2、第三手动角位移台97和第四手动角位移台96改变激光投射的光斑在MEMS微结构91表面的相对位置，并通过四个图像传感器84同时获取光斑位于MEMS微结构91表面的图像信息；

5、当将激光光斑调整到MEMS微结构91表面的指定位置后，翻转转动板180度，使激光器78离开点聚焦空气耦合超声探头62与遮挡板8之间；

6、使用脉冲信号或正弦扫频信号驱动点聚焦空气耦合超声探头62发射超声波，通过遮挡板8上的微孔82实现对MEMS微结构表面指定位置进行非接触式的激励。

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。