一种基于逆压电效应的MEMS微结构四轴式片外激振装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于逆压电效应的MEMS微结构四轴式片外激振装置，包括套筒、叠堆压电陶瓷，压力传感器，上、下联接块和MEMS微结构；在套筒内设有支撑板及与下联接块连接的电动丝杠传动机构；上联接块下端设有半球状圆头并压在下联接块上面；压电陶瓷夹持在压力传感器与弹性支撑件之间；在上联接块与套筒之间圆周均布设有球头柱塞，球头柱塞内端钢珠顶入到上联接块外缘的滑槽内，在套筒内均布有穿过下联接块的导向轴。该装置能够灵活对叠堆压电陶瓷施加不同大小的预紧力，使预紧力测量值更加准确，可使补偿叠堆压电陶瓷两工作表面平行度误差的调节过程变得更加顺畅和平滑，减小了叠堆压电陶瓷各层之间的剪切力，便于测试MEMS微结构的动态特性参数。

A four axis excitation device for MEMS microstructures based on inverse piezoelectric effect

The invention discloses a MEMS micro structure four axis external vibration excitation device based on the reverse piezoelectric effect, including a sleeve, a stack of piezoelectric ceramics, a pressure sensor, an upper, a lower joint block and a MEMS microstructure, and an electric screw drive mechanism connected with a supporting plate and a connecting block in the sleeve; a hemispherical circle is provided at the lower end of the upper connection block. The head is pressed on the lower joint block, and the piezoelectric ceramic is sandwiched between the pressure sensor and the elastic support; the ball head plunger is arranged in the circumference between the upper connection block and the sleeve, and the inner end of the ball plunger is inserted into the slide groove on the outer edge of the connecting block, and the guide shaft through the lower connecting block is distributed in the sleeve. The device can flexibly apply different sizes of pre tightening force to the stack of piezoelectric ceramics, make the measuring value more accurate, and make the adjustment process of the parallel degree error of the two working surface of the PZT piezoelectric ceramic become smoother and smooth, reduce the shear force between the layers of the piled piezoelectric ceramic, and facilitate the test of the MEMS microstructure. Dynamic characteristic parameters.

【技术实现步骤摘要】
一种基于逆压电效应的MEMS微结构四轴式片外激振装置
本专利技术属于微型机械电子系统
，特别涉及一种基于逆压电效应的MEMS微结构四轴式片外激振装置。
技术介绍
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。近三十年来，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，以叠堆压电陶瓷作为激励源的底座激励装置具备激励带宽较大，装置简单、易操作，以及适用性强等优点，因此在MEMS微结构动态特性测试领域得到了广泛的应用。David等在《Abaseexcitationtestfacilityfordynamictestingofmicrosystems》一文中介绍了一种基于压电陶瓷的底座激励装置，在该装置中叠堆压电陶瓷被直接粘接在一个固定的底座上，由于叠堆压电陶瓷是一种多层粘接结构，所以叠堆压电陶瓷能够承受较大的压力，但不能承受拉力，拉力会导致叠堆压电陶瓷的损坏，当叠堆压电陶瓷在使用时，对其施压一定的预紧力有利于延长叠堆压电陶瓷的使用寿命，而该装置并未考虑上述问题；Wang等在《DynamiccharacteristictestingforMEMSmicro-deviceswithbaseexcitation》一文中介绍了一种基于压电陶瓷的底座激励装置，在该装置中考虑到了对叠堆压电陶瓷施加一定预紧力的问题，使用了压板、底座和调节螺钉组成的机构来压紧叠堆压电陶瓷，并可通过旋拧调节螺钉来改变预紧力的大小，但该装置并未考虑到在使用上述机构对叠堆压电陶瓷施加预紧力时，由于叠堆压电陶瓷两工作表面的平行度误差，在叠堆压电陶瓷的层与层之间会产生剪切力，该剪切力会对叠堆压电陶瓷产生机械损伤，此外，该装置无法测量所施加预紧力的大小，如果调节不当，则也会对叠堆压电陶瓷造成机械损伤。公开号为CN101476970A的中国专利技术专利公开了一种基于压电陶瓷的底座激励装置，在该装置中通过十字弹簧片对叠堆压电陶瓷施加预紧力，并通过将叠堆压电陶瓷底部安装在一个可动的底座结构上来减小压电陶瓷所受到的剪切力，此外，在装置中还设有压力传感器，用来检测对压电陶瓷所施加的预紧力以及叠堆压电陶瓷在工作时的输出力。但该装置仍存在下列缺点：1、该装置的可动底座结构由上联接块、钢球和下联接块组成，钢球和上联接块、下联接块之间均为线接触，当需要补偿叠堆压电陶瓷顶面和底面两个工作表面的平行度误差而自行调节可动底座结构时，钢球无法平滑的转动，甚至会出现被卡住的状况；2、上联接块和下联接块与套筒之间均无直接联接，而是采用间隙配合的方式依次安装到套筒之中，若叠堆压电陶瓷两个工作表面的平行度误差较大，则无足够的空间去调节可动底座结构；3、压力传感器被安装在下联接块的底部，由于可动底座结构自行调节后，下联接块的底部与压电陶瓷的工作表面之间存在一定的倾角，因此压力传感器所测得的预紧力或压电陶瓷的输出力并不准确；另外，如果可动底座结构在调节后导致上联接块或下联接块与套筒相接触，则测量结果的误差会进一步增大；4、装置中采用十字弹簧片的一面来压紧叠堆压电陶瓷，在十字弹簧片的另一面上则粘接测试用的微器件，当压电陶瓷工作时，十字弹簧片的变形较大会导致微器件与十字弹簧片之间的胶体开裂，致使微器件脱落；5、该装置中通过使用不同厚度的垫片来改变施加在叠堆压电陶瓷上预紧力的大小，导致调节过程复杂，不够灵活。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是要提供一种基于逆压电效应的MEMS微结构四轴式片外激振装置，该装置能够更加灵活的对叠堆压电陶瓷施加不同大小的预紧力，同时使所获得的预紧力测量值更加准确，可使补偿叠堆压电陶瓷两工作表面平行度误差的调节过程变得更加顺畅和平滑，大大减小了叠堆压电陶瓷各层之间的剪切力，能够提供更大的调节空间，避免测试用微器件的脱落，便于测试MEMS微结构的动态特性参数。为解决上述问题，本专利技术采用如下技术方案：一种基于逆压电效应的MEMS微结构四轴式片外激振装置，包括套筒和底板，在套筒内设有叠堆压电陶瓷、压力传感器、上联接块和下联接块，在套筒上面设有弹性支撑件和MEMS微结构，其特征是：在套筒上端设有环形顶板，所述MEMS微结构通过弹性支撑件安装在环形顶板上；所述弹性支撑件包括一块基板和四个圆周均布的支撑臂，每个支撑臂均由依次相互垂直连接的第一连接臂、第二连接臂、第三连接臂和第四连接臂组成并与基板外缘形成一个L型间隙，用于减小基板的变形量；在环形顶板和底板之间位于套筒外面圆周均布有导向轴，在套筒壁上沿圆周方向均布有与导向轴一一对应的U型豁口，所述下联接块外缘圆周均布有导向支臂且每个导向支臂分别由对应的U型豁口穿过并套装在导向轴上；所述上联接块下端设有半球状圆头并压在下联接块的上平面中心处，使上、下联接块之间形成点接触；所述压力传感器镶装在上联接块顶面的中心孔内，叠堆压电陶瓷夹持在压力传感器与弹性支撑件之间；在上联接块与套筒之间圆周均布设有球头柱塞，球头柱塞外端分别连接在沿圆周方向均布设于套筒壁上的柱塞安装座内，球头柱塞内端的钢珠分别顶入到沿圆周方向均布在上联接块外缘的滑槽内，用于辅助上联接块补偿叠堆压电陶瓷两工作表面平行度误差的调节；在套筒内下部设有支撑板，在支撑板中心沿竖直方向安装有电动丝杠传动机构，电动丝杠传动机构的丝母与下联接块连接，用于带动下联接块上下移动。作为进一步优选，在套筒壁上沿圆周方向均布有螺孔，所述柱塞安装座分别通过螺纹安装在螺孔内。作为进一步优选，所述U型豁口与螺孔数量相当且沿套筒圆周方向相互等距间隔布置。作为进一步优选，所述基板为正方形，四个支撑臂分别通过第一连接臂连接在基板四周的一端；以进一步减小基板的变形量，避免MEMS微结构因胶体开裂而发生脱落。作为进一步优选，所述弹性支撑件的四个支撑臂外端分别通过支柱支撑固定在环形顶板上面。作为进一步优选，所述导向轴为四根。作为进一步优选，在叠堆压电陶瓷上端扣设有安装套，所述弹性支撑件压在安装套上，用于避免由于叠堆压电陶瓷顶部工作表面的粗糙不平所导致的叠堆压电陶瓷和弹性支撑件接触不良的问题。作为进一步优选，在每个导向支臂上分别设有用于穿过导向轴的通孔并在通孔内分别镶装有轴套。作为进一步优选，在上联接块外缘圆周均布连接有与U型豁口一一对应的调节杆，调节杆外端分别由对应的U型豁口伸出；用于实现测试后上联接块的复位。本专利技术的有益效果是：1、由于上联接块下端设有半球状圆头并压在下联接块的上平面中心处，使上、下联接块之间形成点接触；当需要补偿叠堆压电陶瓷两工作表面的平行度误差来调节可动底座时，上联接块会以与下联接块的接触点为转动中心进行本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于逆压电效应的MEMS微结构四轴式片外激振装置，包括套筒和底板，在套筒内设有叠堆压电陶瓷、压力传感器、上联接块和下联接块，在套筒上面设有弹性支撑件和MEMS微结构，其特征是：在套筒上端设有环形顶板，所述MEMS微结构通过弹性支撑件安装在环形顶板上；所述弹性支撑件包括一块基板和四个圆周均布的支撑臂，每个支撑臂均由依次相互垂直连接的第一连接臂、第二连接臂、第三连接臂和第四连接臂组成并与基板外缘形成一个L型间隙，用于减小基板的变形量；在环形顶板和底板之间位于套筒外面圆周均布有导向轴，在套筒壁上沿圆周方向均布有与导向轴一一对应的U型豁口，所述下联接块外缘圆周均布有导向支臂且每个导向支臂分别由对应的U型豁口穿过并套装在导向轴上；所述上联接块下端设有半球状圆头并压在下联接块的上平面中心处，使上、下联接块之间形成点接触；所述压力传感器镶装在上联接块顶面的中心孔内，叠堆压电陶瓷夹持在压力传感器与弹性支撑件之间；在上联接块与套筒之间圆周均布设有球头柱塞，球头柱塞外端分别连接在沿圆周方向均布设于套筒壁上的柱塞安装座内，球头柱塞内端的钢珠分别顶入到沿圆周方向均布在上联接块外缘的滑槽内，用于辅助上联接块补偿叠堆压电陶瓷两工作表面平行度误差的调节；在套筒内下部设有支撑板，在支撑板中心沿竖直方向安装有电动丝杠传动机构，电动丝杠传动机构的丝母与下联接块连接，用于带动下联接块上下移动。...

【技术特征摘要】
1.一种基于逆压电效应的MEMS微结构四轴式片外激振装置，包括套筒和底板，在套筒内设有叠堆压电陶瓷、压力传感器、上联接块和下联接块，在套筒上面设有弹性支撑件和MEMS微结构，其特征是：在套筒上端设有环形顶板，所述MEMS微结构通过弹性支撑件安装在环形顶板上；所述弹性支撑件包括一块基板和四个圆周均布的支撑臂，每个支撑臂均由依次相互垂直连接的第一连接臂、第二连接臂、第三连接臂和第四连接臂组成并与基板外缘形成一个L型间隙，用于减小基板的变形量；在环形顶板和底板之间位于套筒外面圆周均布有导向轴，在套筒壁上沿圆周方向均布有与导向轴一一对应的U型豁口，所述下联接块外缘圆周均布有导向支臂且每个导向支臂分别由对应的U型豁口穿过并套装在导向轴上；所述上联接块下端设有半球状圆头并压在下联接块的上平面中心处，使上、下联接块之间形成点接触；所述压力传感器镶装在上联接块顶面的中心孔内，叠堆压电陶瓷夹持在压力传感器与弹性支撑件之间；在上联接块与套筒之间圆周均布设有球头柱塞，球头柱塞外端分别连接在沿圆周方向均布设于套筒壁上的柱塞安装座内，球头柱塞内端的钢珠分别顶入到沿圆周方向均布在上联接块外缘的滑槽内，用于辅助上联接块补偿叠堆压电陶瓷两工作表面平行度误差的调节；在套筒内下部设有支撑板，在支撑板中心沿竖直方向安装有电动丝杠传动机构，电动丝杠传动机构的丝母与下联接块连接，用于带动下联接块上下移动。2.根据权利要求1所述的一种基于逆压电效应的MEMS微结构四轴式片外激振装置，其特征是：在套筒壁上沿圆周方向均布有螺...

【专利技术属性】
技术研发人员：佘东生，赵玉峰，尹作友，周建壮，魏洪峰，李仲林，
申请(专利权)人：渤海大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21