專利名稱：微結(jié)構(gòu)諧振單向彎拉多軸疲勞試驗(yàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明用于MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微電子機(jī)械系統(tǒng))結(jié)構(gòu)材料多晶硅疲勞特性的研究，屬于微納米技術(shù)基礎(chǔ)研究領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
MEMS(Micro Electromechanical System，即微電子機(jī)械系統(tǒng))是指集微型傳感器、執(zhí)行器以及信號處理和控制電路、接口電路、通信和電源于一體的微型機(jī)電系統(tǒng)。概括起來，MEMS具有以下幾個(gè)基本特點(diǎn)，微型化、智能化、多功能、高集成度和適于大批量生產(chǎn)。
在當(dāng)前MEMS所能達(dá)到的尺度下，宏觀世界基本的物理規(guī)律仍然起作用，但由于尺寸縮小帶來的影響(Scaling Effects)，許多物理現(xiàn)象與宏觀世界有很大區(qū)別，因此許多原來的理論基礎(chǔ)都會(huì)發(fā)生變化，如力的尺寸效應(yīng)、微結(jié)構(gòu)的表面效應(yīng)、微觀摩擦機(jī)理等，因此有必要對微動(dòng)力學(xué)、微流體力學(xué)、微熱力學(xué)、微摩擦學(xué)、微光學(xué)和微結(jié)構(gòu)學(xué)進(jìn)行深入的研究。
MEMS的技術(shù)基礎(chǔ)可以分為以下幾個(gè)方面1、設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)；2、材料與加工技術(shù)；3、封裝與裝配技術(shù)；4、測量與檢測技術(shù)；5、集成與系統(tǒng)技術(shù)等。
而在測量與檢測技術(shù)中，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，對于發(fā)生這種變化的機(jī)理目前還不太明確。了解這種機(jī)理并測量硅在微米尺度下的疲勞特性參數(shù)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)一般由專用的材料疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，主要有液壓、電磁等驅(qū)動(dòng)方式，標(biāo)準(zhǔn)試樣用卡頭裝夾于其中。但這種方法并不適用于MEMS疲勞特性的研究，首先，液壓、電磁力的驅(qū)動(dòng)方式在微米級尺寸狀態(tài)下不適用，其次，微米尺寸試樣的夾持與對中操作起來極其困難，甚至不可能完成。鑒于微機(jī)械構(gòu)件常工作于彎拉多軸應(yīng)力狀況下，有必要設(shè)計(jì)一種用于微構(gòu)件疲勞特性研究的彎拉多軸疲勞試驗(yàn)裝置，而且這種裝置能夠由現(xiàn)有的MEMS加工方法加工出來。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種基于靜電力驅(qū)動(dòng)的微結(jié)構(gòu)諧振單向彎拉多軸疲勞試驗(yàn)裝置，用于MEMS硅微構(gòu)件彎拉疲勞特性的研究。該裝置可由MEMS兩層多晶硅表面犧牲層標(biāo)準(zhǔn)工藝加工出來。
本發(fā)明所采用技術(shù)方案的思路是(1)由靜電力驅(qū)動(dòng)，給微結(jié)構(gòu)上的一對相互交錯(cuò)的梳齒施加交流電以產(chǎn)生周期性的靜電力造成結(jié)構(gòu)的單向彎拉，當(dāng)該靜電力的頻率與結(jié)構(gòu)的固有頻率一致時(shí)，懸置的微結(jié)構(gòu)振動(dòng)塊將發(fā)生共振，使得聯(lián)接于振動(dòng)塊上的試樣受到周期性的單向彎曲拉伸載荷，以達(dá)到彎拉疲勞試驗(yàn)的效果；(2)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)該振動(dòng)幅度可求得試樣所受的應(yīng)力水平；(3)試樣、驅(qū)動(dòng)部分和檢測部分集成于一體，能免去試樣夾持和對中的麻煩；(4)裝置的結(jié)構(gòu)、各部分尺寸及試樣的受力環(huán)境必須來自于典型的MEMS構(gòu)件，這樣其研究結(jié)果才具有實(shí)際意義；(5)裝置的制備必須適合于現(xiàn)有的MEMS加工技術(shù)條件，不能存在難于加工或根本無法加工的結(jié)構(gòu)。
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)諧振單向彎拉多軸疲勞試驗(yàn)裝置，包括驅(qū)動(dòng)電極和檢測電極；其特征在于所述的驅(qū)動(dòng)電極由通過錨定層固定在硅基底上的外側(cè)壁與驅(qū)動(dòng)梳齒對連接；所述的檢測電極由通過錨定層固定在硅基底上的外側(cè)壁與檢測梳齒對連接；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)；所述的振動(dòng)塊分布著直線條的網(wǎng)格狀通孔；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；前述的網(wǎng)格狀通孔為對稱式和/或非對稱式。
前述的網(wǎng)格狀通孔的分布為對稱式和/或非對稱式。
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。
前述的控制終端為計(jì)算機(jī)。
前述的控制終端為單板機(jī)微處理器。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有明顯的優(yōu)勢和有益效果本發(fā)明的結(jié)構(gòu)、各部分尺寸及試樣的受力環(huán)境來自于典型的MEMS構(gòu)件，適用于MEMS標(biāo)準(zhǔn)工藝加工，試樣與驅(qū)動(dòng)及檢測裝置連于一體，完全避免了微米尺寸疲勞試件在疲勞試驗(yàn)時(shí)的夾持與對中的操作。結(jié)構(gòu)的共振特性及疲勞試樣根部缺口的利用，大大提高了試樣所受的應(yīng)力水平，使疲勞試驗(yàn)?zāi)軌蛟谌菰S的時(shí)間范圍內(nèi)完成。本發(fā)明的振動(dòng)塊由于采用了由于采用了網(wǎng)格狀，避免了釋放孔的設(shè)計(jì)，而且其線條全為直線構(gòu)成，降低了制版成本。同時(shí)降低了振動(dòng)塊質(zhì)量，提高了振動(dòng)固有頻率，使得疲勞能夠更早發(fā)生，同時(shí)由于該網(wǎng)格狀通孔的可以根據(jù)驅(qū)動(dòng)諧振頻率和振幅的需要采用對稱或非對稱設(shè)計(jì)，因此可以更進(jìn)一步提高其疲勞試驗(yàn)的精度，又由于避免了釋放孔的設(shè)計(jì)，而且其線條全為直線構(gòu)成，降低了制版成本。同時(shí)降低了振動(dòng)塊質(zhì)量，提高了振動(dòng)固有頻率，使得疲勞能夠更早發(fā)生。


圖1為微結(jié)構(gòu)諧振單向彎拉多軸疲勞試驗(yàn)裝置的正面示意圖；圖2為微結(jié)構(gòu)諧振單向彎拉多軸疲勞試驗(yàn)裝置局部放大圖；圖3為微結(jié)構(gòu)諧振單向彎拉多軸疲勞試驗(yàn)裝置底面局部放大圖；圖4為微結(jié)構(gòu)諧振單向彎拉多軸疲勞試驗(yàn)裝置電極結(jié)構(gòu)層的剖面示圖；圖5為試驗(yàn)裝配示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施例加以說明本發(fā)明微結(jié)構(gòu)諧振單向彎拉多軸疲勞試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。請參閱圖1所示，為微結(jié)構(gòu)諧振單向彎拉多軸疲勞試驗(yàn)裝置的正面示意圖。從圖中可以看出，1、2、3為3個(gè)電極；電極1為驅(qū)動(dòng)電極，電極2為檢測電極，電極3為接地電極；請參閱圖4所示，為微結(jié)構(gòu)諧振單向彎拉多軸疲勞試驗(yàn)裝置電極結(jié)構(gòu)層的剖面示圖；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；整個(gè)電極通過錨定層錨定于硅片基底上。
驅(qū)動(dòng)電極1通過由如圖3所示的該裝置底面局部放大圖的錨定層62固定在硅基底上的外側(cè)壁13與驅(qū)動(dòng)梳齒8連接；檢測電極2通過由錨定層63固定在磚基底上的外側(cè)壁14與檢測梳齒9連接；上述驅(qū)動(dòng)梳齒和檢測梳齒夾合的懸置振動(dòng)塊11的端部與產(chǎn)生交變應(yīng)力的試樣12的一端連接；試樣12的另一端與接地電極相連；試樣12與驅(qū)動(dòng)及檢測裝置為一體性結(jié)構(gòu)；所述的振動(dòng)塊11分布著直線條的網(wǎng)格狀通孔111。
圖2為其主要結(jié)構(gòu)部分的局部放大圖，其最大特征尺寸為300μm左右，圖3為背面局部放大圖，7和8、9和10分別為兩對梳齒，其中7和8用來驅(qū)動(dòng)，9和10作為電容傳感器用來檢測振動(dòng)塊11的振動(dòng)幅度。兩對梳齒的外側(cè)分別與電極1、2連接，均通過固定層固定于硅基底上，內(nèi)側(cè)梳齒與振動(dòng)塊11相連懸置于空中，振動(dòng)塊11的根部為疲勞試樣12，振動(dòng)過程中振動(dòng)塊11的擺動(dòng)將對疲勞試樣12產(chǎn)生交變載荷，以使試樣產(chǎn)生疲勞破壞。疲勞試樣12的尺寸為38μm×20μm，在試樣的根部引入缺口121，目的是為了造成應(yīng)力集中，加大試樣12所受的應(yīng)力水平。試樣12的另一端與電極3相連，固定在基底上。振動(dòng)塊11設(shè)計(jì)成網(wǎng)格狀通孔111是為了方便MEMS加工過程中犧牲層的去除，即使腐蝕液能充分進(jìn)入犧牲層。振動(dòng)塊11底面有一些小凸起112，這些凸起是為了防止釋放過程中懸置的微結(jié)構(gòu)與基底的黏附。疲勞試樣12前面的方孔122為釋放孔，也是為了方便犧牲層的去除。
本發(fā)明所述微結(jié)構(gòu)諧振單向彎拉多軸疲勞試驗(yàn)裝置的工作原理是電極1接一定頻率的交流電，電極3接地。這樣在梳齒7和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)生多軸交變應(yīng)力，從而造成試樣12的疲勞損傷直至斷裂。電極2接直流電，振動(dòng)塊11的振動(dòng)將造成梳齒9和10之間電容的變化，通過一感測電路測出這種變化，再由計(jì)算機(jī)分析處理后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)幅度算出試樣缺口部分所受的應(yīng)力來研究微尺寸試件的疲勞特性。
由于振動(dòng)塊采用了網(wǎng)格狀，避免了釋放孔的設(shè)計(jì)，而且其線條全為直線構(gòu)成，降低了制版成本。同時(shí)降低了振動(dòng)塊質(zhì)量，提高了振動(dòng)固有頻率，使得疲勞能夠更早發(fā)生，還由于該網(wǎng)格狀通孔可以根據(jù)驅(qū)動(dòng)諧振頻率和振幅的需要采用對稱或非對稱設(shè)計(jì)，因此可以更進(jìn)一步提高其疲勞試驗(yàn)的精度。試驗(yàn)中，試樣處于拉伸、彎曲多軸受力環(huán)境中，與MEMS典型結(jié)構(gòu)所處的受力環(huán)境類似。該微結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)裝置具有加工容易，操作簡便等特點(diǎn)，對MEMS結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的研究具有很高的實(shí)用價(jià)值，達(dá)到了本發(fā)明所提出的目的和要求。
本發(fā)明的實(shí)施例為利用上述微結(jié)構(gòu)諧振單向彎拉多軸疲勞試驗(yàn)裝置所設(shè)計(jì)的微機(jī)械疲勞試驗(yàn)方案。該方案示意圖參見圖5，主要由電腦、信號發(fā)生器、功率放大器、試驗(yàn)操作臺(tái)及振幅測量電路構(gòu)成。微結(jié)構(gòu)諧振單向彎拉多軸疲勞試驗(yàn)裝置放于操作臺(tái)上，其電路連接由操作臺(tái)上探針提供，疲勞試樣上方放有顯微鏡，用于觀測振動(dòng)塊11的振幅及試驗(yàn)的進(jìn)行情況。信號發(fā)生器產(chǎn)生的具有固定頻率的正弦信號通過功率放大器的放大后由探針接入本試驗(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由探針引出，接入振幅測量電路，最后接入電腦進(jìn)行分析處理。
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)諧振單向彎拉多軸疲勞試驗(yàn)裝置系統(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5，主要由微結(jié)構(gòu)諧振單向彎拉多軸疲勞試驗(yàn)操作臺(tái)100，終端控制裝置200，與終端控制裝置連接的信號發(fā)生器500，和將信號發(fā)生器的信號進(jìn)行放大的功率放大器400，以及與終端控制裝置輸入端振幅測量電路300組成。
其中，包含本發(fā)明所述結(jié)構(gòu)的芯片110與驅(qū)動(dòng)探針120和檢測探針130相連，顯微鏡140和設(shè)在該顯微鏡上的CCD攝像機(jī)150置于試驗(yàn)芯片上方。
微結(jié)構(gòu)諧振單向彎拉多軸疲勞試驗(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。信號發(fā)生器500產(chǎn)生的具有固定頻率的正弦信號通過功率放大器400的放大后由驅(qū)動(dòng)探針120接入微結(jié)構(gòu)諧振單向彎拉多軸疲勞試驗(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由探針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)諧振單向彎拉多軸疲勞試驗(yàn)裝置，包括驅(qū)動(dòng)電極和檢測電極；其特征在于所述的驅(qū)動(dòng)電極由通過錨定層固定在硅基底上的外側(cè)壁與驅(qū)動(dòng)梳齒對連接；所述的檢測電極由通過錨定層固定在硅基底上的外側(cè)壁與檢測梳齒對連接；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)；所述的振動(dòng)塊分布著直線條的網(wǎng)格狀通孔；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)諧振單向彎拉多軸疲勞試驗(yàn)裝置，其特征在于所述的網(wǎng)格狀通孔為對稱式和/或非對稱式。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微結(jié)構(gòu)諧振單向彎拉多軸疲勞試驗(yàn)裝置，其特征在于所述的網(wǎng)格狀通孔的分布為對稱式和/或非對稱式。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微結(jié)構(gòu)諧振單向彎拉多軸疲勞試驗(yàn)裝置，其特征在于所述的試樣為根部缺口粱形狀。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微結(jié)構(gòu)諧振單向彎拉多軸疲勞試驗(yàn)裝置，其特征在于所述試樣的前面設(shè)有釋放孔。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微結(jié)構(gòu)諧振單向彎拉多軸疲勞試驗(yàn)裝置，其特征在于所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。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微結(jié)構(gòu)諧振單向彎拉多軸疲勞試驗(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)諧振單向彎拉多軸疲勞試驗(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)諧振單向彎拉多軸疲勞試驗(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)諧振單向彎拉多軸疲勞試驗(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)諧振單向彎拉多軸疲勞試驗(yàn)裝置，其驅(qū)動(dòng)電極由通過錨定層固定在硅基底上的外側(cè)壁與驅(qū)動(dòng)梳齒對連接；其檢測電極由通過錨定層固定在硅基底上的外側(cè)壁與檢測梳齒對連接；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；所述的振動(dòng)塊為直線條的網(wǎng)格狀。本發(fā)明的振動(dòng)塊由于采用了網(wǎng)格狀，避免了釋放孔的設(shè)計(jì)，而且其線條全為直線構(gòu)成，降低了制版成本。同時(shí)降低了振動(dòng)塊質(zhì)量，提高了振動(dòng)固有頻率，使得疲勞能夠更早發(fā)生。
文檔編號G01N3/38GK1793827SQ20051013211
公開日2006年6月28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)