專利名稱：微結(jié)構(gòu)雙向彎拉疲勞試驗裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型用于MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微機電系統(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)：
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產(chǎn)生疲勞特性，對于發(fā)生這種變化的機理目前還不太明確。了解這種機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)計及壽命預(yù)測有著重要的意義。
在當(dāng)前MEMS所能達到的尺度下，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，因此有必要對微動力學(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)進行深入的研究。這一方面的研究雖然受到重視，但難度較大。
傳統(tǒng)宏觀尺度下的疲勞試驗一般由專用的材料疲勞試驗機進行，主要有液壓、電磁等驅(qū)動方式，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。鑒于微機械構(gòu)件常工作于雙向彎拉多軸應(yīng)力狀況下，有必要設(shè)計一種用于微構(gòu)件疲勞特性研究的雙向彎拉多軸疲勞試驗裝置，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
本實用新型的目的在于通過提供一種基于靜電力驅(qū)動的微結(jié)構(gòu)雙向彎拉疲勞試驗裝置，以用于MEMS硅微構(gòu)件雙向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。
本實用新型所采用技術(shù)方案的思路是(1)由相位相反的靜電力雙向交替驅(qū)動，給分布在圓周的三組相互交錯的微結(jié)構(gòu)上的梳齒施加相位相反的交流電以產(chǎn)生周期性的雙向交替靜電力，當(dāng)該靜電力的頻率與結(jié)構(gòu)的固有頻率一致時，微結(jié)構(gòu)的懸置部分將發(fā)生共振，使得聯(lián)接于振動塊上的試樣受到周期性的雙向彎曲拉伸載荷，以達到雙向彎拉多軸疲勞試驗的效果；(2)由電容傳感器和顯微鏡測量懸置部分的振動幅度，電容傳感器由分布在圓周的另外三組梳齒單元來實現(xiàn)，懸置部分的振動將引起這三組梳齒單元內(nèi)梳齒之間的電容發(fā)生變化，根據(jù)電容變化的幅度便可以求出懸置部分振動的幅度，由該振動幅度可求得試樣所受的應(yīng)力水平；(3)試樣、驅(qū)動部分和檢測部分集成于一體，免去了試樣夾持與對中的麻煩；(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)。
本實用新型是采用以下技術(shù)手段實現(xiàn)的一種微結(jié)構(gòu)雙向彎拉疲勞試驗裝置，包括有驅(qū)動電極、檢測電極和與之相連接的懸置梳齒單元；在圓心相同但直徑不同的數(shù)個非閉合圓盤狀環(huán)臂分布有數(shù)個梳齒單元；該梳齒單元分為用來驅(qū)動整個懸置結(jié)構(gòu)的驅(qū)動組和用來測量懸置結(jié)構(gòu)擺動的幅度的檢測組；所述的驅(qū)動組和檢測組交替分布；所述的每個梳齒單元包含一個懸置梳齒和兩個位于懸置梳齒兩邊與之夾合的固定梳齒；上述所有梳齒單元的懸置梳齒通過內(nèi)側(cè)環(huán)臂連于一體并最終與直流電極相連；上述所有驅(qū)動梳齒單元兩側(cè)的固定梳齒最終均與驅(qū)動電極相連或通過底電極與驅(qū)動電極相連，在驅(qū)動電極上分別接入兩頻率相同、相位相反以拉動驅(qū)動梳齒單元的懸置梳齒左右擺動的交流電；上述所有檢測梳齒單元兩側(cè)的固定梳齒最終均與檢測電極相連或通過底電極與檢測電極相連，在該檢測電極分別接入兩頻率相同相位相反的高頻載波信號；在所述內(nèi)側(cè)環(huán)臂與非閉合圓盤狀環(huán)臂中心之間連接有產(chǎn)生多軸交變應(yīng)力的試樣。
前述的梳齒單元通過設(shè)置在環(huán)臂下側(cè)的底電極分別與電極連接。
前述的懸置梳齒為6個。
前述的電極為5個；其中包括2個驅(qū)動電極，2個檢測電極和1個直流電極。
前述的各懸置梳齒端部兩側(cè)均設(shè)有檔塊。
前述的與檢測電極相連的兩頻率相同相位相反的交流電為相位相差180°的高頻載波信號。
前述的所述的試樣為根部缺口粱形狀。
前述的控制終端為計算機。
前述的控制終端為單板機微處理器。
本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有明顯的優(yōu)勢和有益效果本實用新型微結(jié)構(gòu)雙向彎拉疲勞試驗裝置的結(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時的夾持與對中的操作。結(jié)構(gòu)的驅(qū)動部分和檢測部分分開來分別由不同的兩組梳齒單元和電路來承擔(dān)，避免了它們之間的互相干擾。由于接入驅(qū)動梳齒兩側(cè)的交流電相位相反，因此兩側(cè)的靜電力將輪流對中間的懸置梳齒產(chǎn)生拉伸作用，造成雙向彎曲的效果。試驗中，試樣處于拉伸、彎曲、剪切多軸受力壞境中，與MEMS典型結(jié)構(gòu)所處的受力環(huán)境類似。另外，指針和刻度盤的引入使得利用顯微鏡對梳齒振幅的觀測變得更加方便和準(zhǔn)確。該微疲勞試驗結(jié)構(gòu)裝置具有加工容易，操作簡便等特點，對MEMS結(jié)構(gòu)強度的研究具有很高的實用價值，達到了本實用新型所提出的目的和要求。


圖1為微結(jié)構(gòu)雙向彎拉疲勞試驗裝置的正面立體圖；圖2為微結(jié)構(gòu)雙向彎拉疲勞試驗裝置局部放大圖；圖3為微結(jié)構(gòu)雙向彎拉疲勞試驗裝置局部放大圖；圖4為微結(jié)構(gòu)雙向彎拉疲勞試驗裝置懸置部分的結(jié)構(gòu)圖；圖5為微結(jié)構(gòu)雙向彎拉疲勞試驗裝置試樣處的結(jié)構(gòu)圖；圖6為各電極結(jié)構(gòu)的剖視圖；圖7為試驗裝配示意圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型的具體實施例加以說明根據(jù)該技術(shù)方案思路所設(shè)計的微結(jié)構(gòu)雙向彎拉疲勞試驗裝置的結(jié)構(gòu)示意圖參見圖1、圖2、圖3、圖4、圖5，圖6所示。圖1為正面全局圖，圖2、圖3為主要結(jié)構(gòu)部分的局部放大圖，其最大特征尺寸為1000μm左右，圖4為所有懸置振動部分的結(jié)構(gòu)圖，圖5為試樣處放大后的形貌，圖6為電極各層結(jié)構(gòu)的剖視圖。整個裝置呈圓盤狀分布，1、2、3、4、5為五個電極，其中2、4為驅(qū)動電極，分別與環(huán)臂6、7相連，1、5為檢測電極，分別與環(huán)臂8、9相連，3為直流電極。各電極上均覆蓋一層金屬，目的是為了增強導(dǎo)電性，電極結(jié)構(gòu)的剖視圖參加圖6，共有四層金屬層50、多晶硅結(jié)構(gòu)層51、錨定層52和底電極層53。六個懸置梳齒單元沿圓周分布，請參閱圖2所示，可分為兩組，其中一組為驅(qū)動組，另一組為測量組。每個梳齒單元結(jié)構(gòu)基本一樣，包含一個懸置梳齒和兩個固定梳齒，其中懸置梳齒位于梳齒單元中間，在與驅(qū)動梳齒單元中懸置梳齒連接的靠近內(nèi)側(cè)環(huán)臂15的帶動下可以左右擺動，固定梳齒位于懸置梳齒兩邊與之夾合。典型驅(qū)動梳齒單元結(jié)構(gòu)見圖2，其中31為懸置梳齒，在靜電力的驅(qū)動下可以左右擺動，位于兩側(cè)與之夾合的梳齒311、312為固定梳齒，通過環(huán)臂9、8分別與驅(qū)動電極4、1電學(xué)相連。另外兩組驅(qū)動梳齒單元的懸置梳齒為32、33，與懸置梳齒32夾合的其中一固定梳齒321通過底電極323與環(huán)臂7電學(xué)相連，另一固定梳齒322直接與環(huán)臂6相連；與懸置梳齒33夾合的其中一固定梳齒331通過底電極333與環(huán)臂7電學(xué)相連，另一固定梳齒332直接與環(huán)臂6相連。典型檢測梳齒單元結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中41為懸置活動梳齒，位于兩側(cè)與之夾合的梳齒411、412為固定梳齒，通過其側(cè)壁下邊的錨定層固在底電極層413、414上，其中底電極413、414分別用于固定梳齒411、412與環(huán)臂8、9的電路連接，通過圓盤狀分布的環(huán)臂8、9將兩檢測電極1、5與固定電極411、412連接。另外兩組檢測梳齒單元的懸置梳齒為42、43，與42夾合的兩固定梳齒421、422通過底電極423、424與外側(cè)環(huán)臂8、9相連，與43夾合的兩固定梳齒431、432通過底電極433、434與外環(huán)8、9相連。各驅(qū)動梳齒單元和檢測梳齒單元的中間梳齒31、32、33、41、42、43均懸置在空中，內(nèi)環(huán)15將這六條懸置著的中間梳齒相連，并通過兩根梁17、27與圓盤中心的固定塊19相連，固定塊19又通過底電極18與直流電極3電學(xué)相連。整個懸置部分的結(jié)構(gòu)如圖4所示，其中包括六個懸置梳齒、連接內(nèi)環(huán)15、兩根梁17、27，整個懸置部分通過中心處的固定塊19固定在基底上。聯(lián)接內(nèi)環(huán)15與固定塊19的兩根梁17、27實際上就是試驗所要分析的疲勞試樣，請參閱圖5所示，試樣端部設(shè)置了缺口171，目的是為了引入應(yīng)力集中，加大試樣所受的應(yīng)力水平。各懸置梳齒端部兩側(cè)均設(shè)有如圖3所示的檔塊16，以免在振動過程中幅度太大與固定梳齒碰接從而造成短路。為了便于觀測結(jié)構(gòu)的振動幅度，在其中一組懸置梳齒桿的端部設(shè)計了指針13和刻度盤14。
本實用新型所述的微結(jié)構(gòu)雙向彎拉疲勞試驗裝置其工作原理是驅(qū)動電極2、4分別接入兩頻率相同相位相反的交流電，電極5接入直流偏置電壓。這樣在驅(qū)動組梳齒單元中懸置梳齒的兩側(cè)將產(chǎn)生周期性的交替靜電力，兩側(cè)靜電力輪流驅(qū)動整個懸置部分(參見圖4)產(chǎn)生周向振動，當(dāng)該靜電力的頻率與整個懸置結(jié)構(gòu)的平面固有頻率相當(dāng)時將發(fā)生共振，從而帶動試樣17、27產(chǎn)生周期性的雙向彎曲載荷，另外，懸置部分振動過程中角速度的變化將造成試樣17、27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17、27產(chǎn)生多軸交變應(yīng)力，從而造成試樣17、27的疲勞損傷直至斷裂。相位相差180°的高頻載波信號分別接入檢測電極1、5，通過感測直流偏置電路的信號變化便可間接測出懸置梳齒的擺動幅度，該測量結(jié)果可與顯微鏡的觀測結(jié)果進行對比，檢驗其正確性。根據(jù)該振動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。
本實用新型的實施例為利用上述微結(jié)構(gòu)雙向彎拉疲勞試驗裝置所設(shè)計的微機械疲勞試驗方案。該方案示意圖參見圖7，主要由終端控制裝置200、信號發(fā)生器500、功率放大器400、試驗操作臺100及振幅測量電路300構(gòu)成。微結(jié)構(gòu)雙向彎拉疲勞試驗裝置芯片放于操作臺上，其電路連接由操作臺上探針120提供，疲勞試樣上方放有顯微鏡140，在顯微鏡140上設(shè)有CCD攝像機150用于觀測懸置梳齒的振動幅度及試驗的進行情況。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放大后由探針120接入微結(jié)構(gòu)雙向彎拉疲勞試驗裝置芯片的電極，檢測信號由探針130引出，接入振幅測量電路300，最后輸入終端控制裝置進行分析處理。需要說明的是終端控制裝置可以是計算機也可以是單板機微處理器。
最后應(yīng)說明的是以上實施例僅用以說明本實用新型而并非限制本實用新型所描述的技術(shù)方案；因此，盡管本說明書參照上述的各個實施例對本實用新型已進行了詳細(xì)的說明，但是，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，仍然可以對本實用新型進行修改或等同替換；而一切不脫離實用新型的精神和范圍的技術(shù)方案及其改進，其均應(yīng)涵蓋在本實用新型的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求1.一種微結(jié)構(gòu)雙向彎拉疲勞試驗裝置，包括有驅(qū)動電極、檢測電極和與之相連接的懸置梳齒單元；其特征在于在圓心相同但直徑不同的數(shù)個非閉合圓盤狀環(huán)臂分布有數(shù)個梳齒單元；該梳齒單元分為用來驅(qū)動整個懸置結(jié)構(gòu)的驅(qū)動組和用來測量懸置結(jié)構(gòu)擺動的幅度的檢測組；所述的驅(qū)動組和檢測組交替分布；所述的每個梳齒單元包含一個懸置梳齒和兩個位于懸置梳齒兩邊與之夾合的固定梳齒；上述所有梳齒單元的懸置梳齒通過內(nèi)側(cè)環(huán)臂連于一體并最終與直流電極相連；上述所有驅(qū)動梳齒單元兩側(cè)的固定梳齒最終均與驅(qū)動電極相連或通過底電極與驅(qū)動電極相連，在驅(qū)動電極上分別接入兩頻率相同、相位相反以拉動驅(qū)動梳齒單元的懸置梳齒左右擺動的交流電；上述所有檢測梳齒單元兩側(cè)的固定梳齒最終均與檢測電極相連或通過底電極與檢測電極相連，在該檢測電極分別接入兩頻率相同相位相反的高頻載波信號；在所述內(nèi)側(cè)環(huán)臂與非閉合圓盤狀環(huán)臂中心之間連接有產(chǎn)生多軸交變應(yīng)力的試樣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微結(jié)構(gòu)雙向彎拉疲勞試驗裝置，其特征在于所述的梳齒單元通過設(shè)置在環(huán)臂下側(cè)的底電極分別與電極連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微結(jié)構(gòu)雙向彎拉疲勞試驗裝置，其特征在于所述的懸置梳齒為6個。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微結(jié)構(gòu)雙向彎拉疲勞試驗裝置，其特征在于所述的電極為5個；其中包括2個驅(qū)動電極，2個檢測電極和1個直流電極。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微結(jié)構(gòu)雙向彎拉疲勞試驗裝置，其特征在于所述的各懸置梳齒端部兩側(cè)均設(shè)有檔塊。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微結(jié)構(gòu)雙向彎拉疲勞試驗裝置，其特征在于所述的所述的試樣為根部缺口粱形狀。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微結(jié)構(gòu)雙向彎拉疲勞試驗裝置，其特征在于所述的控制終端為計算機。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微結(jié)構(gòu)雙向彎拉疲勞試驗裝置，所述的控制終端為單板機微處理器。
專利摘要本實用新型公開了一種微結(jié)構(gòu)雙向彎拉疲勞試驗裝置，包括有驅(qū)動電極、檢測電極和與之相連接的懸置梳齒單元；在圓心相同但直徑不同的數(shù)個非閉合圓盤狀環(huán)臂分布有6個梳齒單元；該梳齒單元分為用來驅(qū)動整個懸置結(jié)構(gòu)的驅(qū)動組和用來測量懸置結(jié)構(gòu)擺動的幅度的檢測組；驅(qū)動組和檢測組交替分布；每個梳齒單元包含一個懸置梳齒和兩個位于懸置梳齒兩邊的固定梳齒；所有梳齒單元的懸置梳齒通過內(nèi)側(cè)環(huán)臂連于一體并最終與直流電極相連；所有驅(qū)動梳齒單元兩側(cè)的固定梳齒與驅(qū)動電極相連，在驅(qū)動電極上分別接入兩頻率相同、相位相反交流電；該微疲勞試驗結(jié)構(gòu)裝置具有加工容易，操作簡便等特點，對MEMS結(jié)構(gòu)強度的研究具有很高的實用價值。
文檔編號G01N3/32GK2864664SQ200520145008
公開日2007年1月31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)