MEMS微构件动态特性测试激励装置特性研究

论文摘要

MEMS微构件动态特性测试技术，主要包括振动激励、振动测试和模态分析三个方面，激励是实现动态特性测试的基本环节。通过查阅文献，综述了目前应用于MEMS微构件动态特性测试的各种激励技术，并通过比较分析各种激励技术的特点，确定将压电底座激励方式作为研究对象。理论分析了以压电陶瓷为激励振子的底座激励装置在阶跃电压冲击下的动态特性，包括它所能激发的频带宽度和它自身的谐振频率两个方面，在理论上证明了利用该激励装置测试微构件动态特性的可行性。驱动电源的性能在很大程度上决定了压电底座激励装置的动态特性。设计并制作了压电底座激励装置的驱动电源，该电源可以分别实现自动控制和手动控制，并具防止因误操作而导致其损坏的能力。测试了该电源的响应上升时间，测试结果表明该电源基本可以满足驱动激励装置的需求。设计并搭建了压电底座激励装置的动态特性测试系统，利用激光检测电路检测激励装置在振动时引起光强在硅光二极管上的周期变化情况，从而检测激励装置的动态特性。该测试系统结构简单，可以测试振幅在微米级，振动频率达到几兆赫兹的离面振动信号，可以满足激励装置动态特性测试的需求。利用上述测试系统分别对上界面自由条件下的压电陶瓷，无预紧力条件下的压电陶瓷和有预紧力条件下的压电陶瓷进行了动态特性测试，测试结果与理论分析基本相符，证明了理论分析的正确性和测试系统的可靠性，并得到如下结论：选取声阻抗小的材料作为压电陶瓷上盖板，可以使压电陶瓷激发出的频带变宽；对压电陶瓷施加适当的预紧力，可以增宽压电陶瓷所激发出的频带宽度；通过改变压电陶瓷的结构可以改变压电陶瓷的谐振频率。用无预紧力条件下的压电底座激励装置对两种典型的微梁-质量块结构进行了动态特性测试，通过分析测试所得数据，获悉了微构件的谐振频率，验证了压电底座激励装置应用于微构件动态特性测试的可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 MEMS微构件的动态测试
• 1.3 用于MEMS微构件动态特性测试的激励技术方法
• 1.3.1 利用外部场能的激励方法
• 1.3.2 内部集成激励元件的激励方法
• 1.3.3 基于底座的激励方法
• 1.4 课题来源
• 1.5 本文主要研究内容
• 2 激励装置特性分析的理论基础
• 2.1 压电晶体暂态效应的分析
• 2.1.1 压电晶片机械位移响应
• 2.1.2 晶片叠堆与单晶片之间的特性区别
• 2.1.3 压电陶瓷晶堆所能激发的频带宽度
• 2.2 压电陶瓷的谐振频率
• 2.3 本章小结
• 3 激励装置及其动态特性测试系统的设计方案
• 3.1 本章研究内容
• 3.2 激励装置的激励方式
• 3.3 激励装置动态特性测试系统的组成
• 3.4 测试系统各主要组成部分的设计方案
• 3.4.1 激励装置的机械结构
• 3.4.2 激励装置的驱动电源
• 3.4.3 激励装置振动信号的检测系统
• 3.5 本章小结
• 4 激励装置驱动电源的设计
• 4.1 本章研究内容
• 4.2 驱动电源的工作原理
• 4.2.1 整流电路
• 4.2.2 充电放电控制电路
• 4.2.3 逻辑保护电路
• 4.3 电源输出响应上升时间的测试
• 4.4 本章小结
• 5 激励装置特性测试系统的设计
• 5.1 本章研究内容
• 5.2 测试系统硬件设计
• 5.2.1 激光器
• 5.2.2 激光反射镜
• 5.2.3 激光检测电路
• 5.2.4 数据采集卡
• 5.3 测试系统软件设计
• 5.3.1 数据采集模块简介
• 5.3.2 数据转换模块
• 5.3.3 数据分析模块
• 5.4 本章小结
• 6 激励装置动态特性测试与分析
• 6.1 对不同条件下的压电陶瓷暂态效应分析
• 6.1.1 压电陶瓷处于上界面自由条件下的暂态效应分析
• 6.1.2 压电陶瓷处于无预紧力条件下的暂态效应分析
• 6.1.3 压电陶瓷处于有预紧力条件下的暂态效应分析
• 6.2 对不同条件下的压电陶瓷的谐振频率分析
• 6.2.1 压电陶瓷谐振频率的计算
• 6.2.2 压电陶瓷谐振频率的实验分析
• 6.3 激励装置谐振频率的实验分析
• 6.4 本章小结
• 7 基于压电底座激励的微构件动态特性测试实验及特性分析
• 7.1 本章主要研究内容
• 7.2 对MEMS微构件动态特性测试实验及分析
• 7.2.1 测试实验中的微构件基本特性
• 7.2.2 压阻微梁-质量块的仿真计算
• 7.2.3 微构件动态特性测试实验
• 7.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢