專利名稱：微結(jié)構(gòu)單向彎拉疲勞試驗(yàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種疲勞試驗(yàn)裝置，特別涉及一種應(yīng)用于微納米技術(shù)基礎(chǔ)研究領(lǐng)域作用在MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微機(jī)電系統(tǒng))結(jié)構(gòu)材料多晶硅疲勞特性的研究的微結(jié)構(gòu)單向彎拉疲勞試驗(yàn)裝置。
背景技術(shù)：
研究發(fā)現(xiàn)，在宏觀狀態(tài)下屬于脆性材料的硅在微納米尺度下會(huì)產(chǎn)生疲勞特性。目前，對于發(fā)生這種變化的機(jī)理還不太明確，因此了解這種機(jī)理并測量硅在微米尺度下的疲勞特性對于MEMS可靠性設(shè)計(jì)及壽命預(yù)測有著重要的意義。傳統(tǒng)宏觀尺度下的疲勞試驗(yàn)一般在專用的材料疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，標(biāo)準(zhǔn)試樣通過夾具裝卡，采用液壓、電磁等驅(qū)動(dòng)方式。但這種方法并不適用于MEMS疲勞特性的研究，首先由于尺寸效應(yīng)，液壓、電磁等驅(qū)動(dòng)方式在微米狀態(tài)下不適用，其次微米尺度下試樣的裝卡和對中極其困難。因此，有必要設(shè)計(jì)一種全新的疲勞試驗(yàn)裝置專門用于微機(jī)械疲勞特性的研究。
新的試驗(yàn)裝置應(yīng)達(dá)到以下要求1)新裝置的特征尺寸必須控制在微米尺度范圍內(nèi)。
2)新裝置的結(jié)構(gòu)形狀必須能夠充分模擬當(dāng)前MEMS裝置的工作條件(應(yīng)力應(yīng)變等)，并且可以用現(xiàn)有的MEMS加工工藝加工。
3)新裝置必須允許現(xiàn)有成熟技術(shù)對試樣過程中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行精確測量和記錄。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于通過提供一種基于對實(shí)驗(yàn)裝置的基本要求的微結(jié)構(gòu)單向彎拉疲勞試驗(yàn)裝置，而達(dá)到基于靜電力驅(qū)動(dòng)的諧振疲勞試驗(yàn)裝置來進(jìn)行微機(jī)械結(jié)構(gòu)材料多晶硅疲勞特性的研究。該裝置可通過微納米加工技術(shù)加工出來。
本發(fā)明的基本思路為1、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)形狀在現(xiàn)有工藝條件可以實(shí)現(xiàn)的前提下，設(shè)計(jì)一套微米尺度的實(shí)驗(yàn)裝置，將試樣、驅(qū)動(dòng)部分和檢測部分集成于一體，免去了試樣裝卡與對中的麻煩，并且可以充分模擬MEMS系統(tǒng)的工作狀態(tài)的應(yīng)力應(yīng)變。
2、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置的驅(qū)動(dòng)方式本實(shí)驗(yàn)裝置采用靜電驅(qū)動(dòng)方式，即給一對相互交錯(cuò)的梳齒施加交流電以產(chǎn)生周期性的靜電力，當(dāng)該靜電力的頻率與結(jié)構(gòu)的固有頻率一致時(shí)，懸置振動(dòng)塊將發(fā)生共振，使得連于振動(dòng)塊的試樣能夠產(chǎn)生足夠的交變應(yīng)力，以達(dá)到疲勞試驗(yàn)的效果；3、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置的檢測裝置由電容傳感器和顯微鏡測量懸置振動(dòng)塊的振動(dòng)幅度，根據(jù)測得的振動(dòng)幅度由有限元方法求得試樣所受的應(yīng)力水平。
本發(fā)明是采用以下技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)的一種微結(jié)構(gòu)單向彎拉疲勞試驗(yàn)裝置，在一個(gè)懸置振動(dòng)塊的一側(cè)至少設(shè)有一個(gè)由驅(qū)動(dòng)梳齒對，在懸置振動(dòng)塊的另一側(cè)至少設(shè)有一個(gè)檢測振動(dòng)幅度的檢測梳齒對；上述的驅(qū)動(dòng)梳齒對和檢測梳齒對的外側(cè)壁通過錨定層固定在硅基底上并分別與連接以產(chǎn)生周期性的靜電力的驅(qū)動(dòng)電極和連接感測兩側(cè)梳齒之間電容變化的感測電路的檢測電極連接；上述驅(qū)動(dòng)梳齒和檢測梳齒夾合的懸置振動(dòng)塊的端部與產(chǎn)生交變應(yīng)力的試樣的一端連接；試樣的另一端與接地電極相連；試樣與驅(qū)動(dòng)及檢測裝置為一體性結(jié)構(gòu)；上述裝置的工作狀態(tài)由控制終端進(jìn)行控制；終端控制的輸出端連接信號(hào)發(fā)生器的輸入端；信號(hào)發(fā)生器將產(chǎn)生的信號(hào)送入功率放大器放大；上述驅(qū)動(dòng)電極連接功率放大器輸出的探針；上述檢測電極由探針引出，接入振幅測量電路輸入端；該檢測電路的輸出端連接控制終端的輸入端。
前述的試樣為根部缺口粱形狀；前述試樣的前面設(shè)有釋放孔；前述的懸置振動(dòng)塊為多孔狀；前述的多孔狀為圓孔、方孔或菱形孔；前述的電極為的表面為一金屬層，在金屬層下面為多晶硅結(jié)構(gòu)層，多晶硅結(jié)構(gòu)層下面是錨定層，整個(gè)電極通過錨定層錨定于硅片基底上。
前述的懸置振動(dòng)塊底的面有設(shè)有防止釋放過程中振動(dòng)塊與基底的黏附的數(shù)個(gè)凸起部。
前述的檢測電極為電容傳感器。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有明顯的優(yōu)勢和有益效果1、本發(fā)明(微結(jié)構(gòu)單向彎拉疲勞試驗(yàn)裝置)屬于典型的MEMS結(jié)構(gòu)，與標(biāo)準(zhǔn)工藝相對應(yīng)。
2、試樣與驅(qū)動(dòng)及檢測裝置連于一體，免去了夾持與對中的麻煩，具有加工容易，操作簡便等特點(diǎn)。
3、共振及試樣根部缺口的引進(jìn)，大大提高了試樣所受應(yīng)力水平，使得疲勞試驗(yàn)?zāi)軌蛟谌菰S的時(shí)間范圍內(nèi)完成。
4、試驗(yàn)中，試樣處于拉伸、彎曲、剪切多軸受力環(huán)境中，與MEMS典型結(jié)構(gòu)所處的受力環(huán)境類似，其研究結(jié)果具有很高的實(shí)用價(jià)值，達(dá)到了本發(fā)明所提出的目的要求。


圖1為微結(jié)構(gòu)單向彎拉疲勞試驗(yàn)裝置的正面示意圖；圖2為微結(jié)構(gòu)單向彎拉疲勞試驗(yàn)裝置局部放大圖；圖3為微結(jié)構(gòu)單向彎拉疲勞試驗(yàn)裝置電極結(jié)構(gòu)層的剖面示圖；圖4為微結(jié)構(gòu)單向彎拉疲勞試驗(yàn)裝置底面局部放大圖；圖5為試驗(yàn)裝配示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對本實(shí)用新型的具體實(shí)施例加以說明根據(jù)該技術(shù)方案的基本思路所設(shè)計(jì)的微結(jié)構(gòu)彎拉疲勞試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖參見圖1、圖2所示；圖1為正面全局圖，圖2為正面主要結(jié)構(gòu)部分的局部放大圖。
請參閱圖1所示，其中的1、2、3為3個(gè)電極；各電極的表面為一層金屬叫做金屬層4，目的是為了增強(qiáng)導(dǎo)電性，金屬層下面為多晶硅結(jié)構(gòu)層5，該裝置的主要結(jié)構(gòu)都處于該層，多晶硅結(jié)構(gòu)層下面是錨定層6，其電極各結(jié)構(gòu)層的剖面示圖請參閱圖3；整個(gè)電極通過錨定層錨定于硅片基底上。
圖2中的7和8、9和10分別為兩對梳齒，試樣12與電極3連接；其中7、9為固定梳齒，分別與外側(cè)固定塊13、14連于一體，通過錨定層21、22錨定在硅基底上(參見圖4)，8、10為活動(dòng)梳齒與懸置振動(dòng)塊11連為一個(gè)整體。電極1通過外側(cè)固定塊13與梳齒7相連，梳齒對7、8作為驅(qū)動(dòng)梳齒驅(qū)動(dòng)懸置的振動(dòng)塊11發(fā)生振動(dòng)；電極2通過外側(cè)固定塊14與梳齒9相連，梳齒對9、10作為電容傳感器來檢測振動(dòng)塊11的振動(dòng)幅度。與振動(dòng)塊11的根部相連的缺口梁為實(shí)驗(yàn)試樣12。振動(dòng)過程中振動(dòng)塊11的擺動(dòng)將對使試樣12內(nèi)部產(chǎn)生交變載荷，從而使試樣產(chǎn)生疲勞。請參閱圖4所示，疲勞試樣12根部引入缺口121的目的是為了造成應(yīng)力集中，加大試樣所受的應(yīng)力水平。試樣12的另一端與電極3相連。振動(dòng)塊11上設(shè)計(jì)了很多孔是為了方便加工過程中犧牲層的釋放。
請參閱圖4所示，為微結(jié)構(gòu)單向彎拉疲勞試驗(yàn)裝置底面局部放大圖；從圖中可以看出，振動(dòng)塊11底面有一些小凸起20，這些凸起是為了防止釋放過程中振動(dòng)塊與基底的黏附。試樣12前面的方孔122為釋放孔，也是為了方便犧牲層的釋放。
實(shí)驗(yàn)裝置的驅(qū)動(dòng)原理為給電極1通一定頻率的交流電，電極3接地。這樣在梳齒對7、8之間將產(chǎn)生交變靜電力，當(dāng)該靜電力的頻率與振動(dòng)塊11的平面固有頻率相當(dāng)時(shí)，振動(dòng)塊11將發(fā)生共振，從而帶動(dòng)試樣12產(chǎn)生周期性的彎曲載荷，另外，振動(dòng)塊11振動(dòng)過程中角速度的變化將造成試樣12所受到的離心力發(fā)生周期性的變化，彎曲載荷和離心力的作用將使試樣12產(chǎn)生彎拉交變應(yīng)力，從而造成試樣12的疲勞損傷直至斷裂。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果的觀測過程為電極2接直流電，振動(dòng)塊11的振動(dòng)將造成梳齒對9、10之間電容的變化，通過感測電路測出這種變化，再交給計(jì)算機(jī)或單板機(jī)微處理器的相應(yīng)軟件進(jìn)行分析處理便能間接測量出振動(dòng)塊的振動(dòng)幅度，該測量結(jié)果可與顯微鏡的觀測結(jié)果進(jìn)行對比，檢驗(yàn)其正確性。根據(jù)該振動(dòng)幅度即可用有限元方法算出試樣缺口部分121所受的應(yīng)力。
本發(fā)明的實(shí)施例為利用上述微結(jié)構(gòu)單向彎拉疲勞性能試驗(yàn)系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的微機(jī)械疲勞特性試驗(yàn)方案。該方案示意圖參見圖6，主要由微結(jié)構(gòu)單向彎拉疲勞性能試驗(yàn)裝置操作臺(tái)100，終端控制裝置200，與終端控制裝置連接的信號(hào)發(fā)生器500，和將信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)進(jìn)行放大的功率放大器400，以及與終端控制裝置輸入端相連的振幅測量電路300組成。
其中，微結(jié)構(gòu)單向彎拉疲勞性能試驗(yàn)裝置操作臺(tái)100，包括微結(jié)構(gòu)單向彎拉疲勞性能試驗(yàn)裝置110和與其相連接的驅(qū)動(dòng)探針120和檢測探針130，以及顯微鏡140和設(shè)在該顯微鏡上的CCD攝像機(jī)150。
微結(jié)構(gòu)單向彎拉疲勞試驗(yàn)裝置放于操作臺(tái)100上，其電路連接由操作臺(tái)上的驅(qū)動(dòng)探針120和檢測探針130提供，試樣12上方放有顯微鏡140，顯微鏡上方裝有CCD攝像機(jī)150，用于觀測振動(dòng)塊11的振幅及試驗(yàn)的進(jìn)行情況。信號(hào)發(fā)生器500產(chǎn)生的具有固定頻率的正弦信號(hào)通過功率放大器400的放大后由驅(qū)動(dòng)探針120接入微結(jié)構(gòu)單向彎拉疲勞試驗(yàn)裝置的驅(qū)動(dòng)電極1，電極3通過探針接地，檢測電極2通過探針130引出，接入振幅測量電路，最后接入計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理。
最后應(yīng)說明的是以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明而并非限制本發(fā)明所描述的技術(shù)方案；因此，盡管本說明書參照上述的各個(gè)實(shí)施例對本發(fā)明已進(jìn)行了詳細(xì)的說明，但是，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，仍然可以對本發(fā)明進(jìn)行修改或等同替換；而一切不脫離實(shí)用新型的精神和范圍的技術(shù)方案及其改進(jìn)，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種微結(jié)構(gòu)單向彎拉疲勞試驗(yàn)裝置，其特征在于在一個(gè)懸置振動(dòng)塊的一側(cè)至少設(shè)有一個(gè)由驅(qū)動(dòng)梳齒對，在懸置振動(dòng)塊的另一側(cè)至少設(shè)有一個(gè)檢測振動(dòng)幅度的檢測梳齒對；上述的驅(qū)動(dòng)梳齒對和檢測梳齒對的外側(cè)固定塊通過錨定層固定在硅基底上并分別與連接以產(chǎn)生周期性的靜電力的驅(qū)動(dòng)電極和連接感測兩側(cè)梳齒之間電容變化的感測電路的檢測電極連接；上述驅(qū)動(dòng)梳齒和檢測梳齒夾合的懸置振動(dòng)塊的端部與產(chǎn)生交變應(yīng)力的試樣的一端連接；試樣的另一端與接地電極相連；試樣與驅(qū)動(dòng)及檢測裝置為一體性結(jié)構(gòu)；上述裝置的工作狀態(tài)由控制終端進(jìn)行控制；終端控制的輸出端連接信號(hào)發(fā)生器的輸入端；信號(hào)發(fā)生器將產(chǎn)生的信號(hào)送入功率放大器放大；上述驅(qū)動(dòng)電極連接功率放大器輸出的探針；上述檢測電極由探針引出，接入振幅測量電路輸入端；該檢測電路的輸出端連接控制終端的輸入端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微結(jié)構(gòu)單向彎拉疲勞試驗(yàn)裝置，其特征在于所述的試樣為根部缺口粱形狀。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微結(jié)構(gòu)單向彎拉疲勞試驗(yàn)裝置，其特征在于所述試樣的前面設(shè)有釋放孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微結(jié)構(gòu)單向彎拉疲勞試驗(yàn)裝置，其特征在于所述的懸置振動(dòng)塊為多孔狀。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的微結(jié)構(gòu)單向彎拉疲勞試驗(yàn)裝置，其特征在于所述的多孔狀為圓孔、方孔或菱形孔。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微結(jié)構(gòu)單向彎拉疲勞試驗(yàn)裝置，其特征在于所述的電極的表面為一金屬層，在金屬層下面為多晶硅結(jié)構(gòu)層，多晶硅結(jié)構(gòu)層下面是錨定層，整個(gè)電極通過錨定層錨定于硅片基底上。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微結(jié)構(gòu)單向彎拉疲勞試驗(yàn)裝置，其特征在于所述的懸置振動(dòng)塊底的面有設(shè)有防止釋放過程中振動(dòng)塊與基底的黏附的數(shù)個(gè)凸起部。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微結(jié)構(gòu)單向彎拉疲勞試驗(yàn)裝置，其特征在于所述的檢測電極為電容傳感器。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微結(jié)構(gòu)單向彎拉疲勞試驗(yàn)裝置，其特征在于所述的控制終端為計(jì)算機(jī)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微結(jié)構(gòu)單向彎拉疲勞試驗(yàn)裝置，其特征在于所述的控制終端為單板機(jī)微處理器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微結(jié)構(gòu)單向彎拉疲勞試驗(yàn)裝置，該裝置在一個(gè)懸置振動(dòng)塊的一側(cè)設(shè)有驅(qū)動(dòng)梳齒對，在懸置振動(dòng)塊的另一側(cè)設(shè)有檢測振動(dòng)幅度的檢測梳齒對；驅(qū)動(dòng)梳齒對和檢測梳齒對的外側(cè)壁通過錨定層固定在硅基底上并分別與連接以產(chǎn)生周期性的靜電力的驅(qū)動(dòng)電極和連接感測電路的檢測電極連接；其懸置振動(dòng)塊的端部與產(chǎn)生交變應(yīng)力的試樣的一端連接；試樣的另一端與接地電極相連；試樣與驅(qū)動(dòng)及檢測裝置為一體性結(jié)構(gòu)；驅(qū)動(dòng)電極連接功率放大器輸出的探針；檢測電極由探針引出，接入振幅測量電路后與終端控制設(shè)備的輸入端連接；應(yīng)用于微納米技術(shù)基礎(chǔ)研究領(lǐng)域作用在MEMS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料多晶硅疲勞特性的研究的微結(jié)構(gòu)單向彎拉疲勞試驗(yàn)裝置。
文檔編號(hào)G01N3/38GK1789960SQ20051013211
公開日2006年6月21日 申請日期2005年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月16日
發(fā)明者丁雷, 尚德廣, 賈冠華, 孫國芹, 李浩群 申請人:北京工業(yè)大學(xué)