專(zhuān)利名稱(chēng)：基于靜電力驅(qū)動(dòng)的微結(jié)構(gòu)諧振雙側(cè)彎曲疲勞試驗(yàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型用于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，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(huì)產(chǎn)生疲勞特性，對(duì)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(cè)量硅在微米尺度下的疲勞特性參數(shù)對(duì)于MEMS可靠性設(shè)計(jì)及壽命預(yù)測(cè)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(zhuān)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(jí)尺寸狀態(tài)下不適用，其次，微米尺寸試樣的夾持與對(duì)中操作起來(lái)極其困難，甚至不可能完成。高頻反復(fù)彎曲是微機(jī)械構(gòu)件常見(jiàn)的一種工作載荷，有必要設(shè)計(jì)一種用于微構(gòu)件疲勞特性研究的彎曲疲勞試驗(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(lái)。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于通過(guò)提供一種基于靜電力驅(qū)動(dòng)的微結(jié)構(gòu)諧振雙側(cè)彎曲疲勞試驗(yàn)裝置，以用于MEMS硅微構(gòu)件彎曲疲勞特性的研究。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(lái)。
本實(shí)用新型所采用技術(shù)方案的思路是a、由靜電力驅(qū)動(dòng)，給微結(jié)構(gòu)上的兩對(duì)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)的反復(fù)彎曲，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)將發(fā)生共振，使得聯(lián)接于懸置結(jié)構(gòu)的微試樣受到周期性的彎曲載荷作用，以達(dá)到彎曲疲勞試驗(yàn)的效果；b、由顯微鏡觀測(cè)懸置結(jié)構(gòu)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；c、試樣與其它結(jié)構(gòu)連在一起，免去了試樣夾持與對(duì)中的麻煩；d、裝置的結(jié)構(gòu)、各部分尺寸及試樣的受力環(huán)境必須來(lái)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；e、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(wú)法加工的結(jié)構(gòu)。
本實(shí)用新型是采用以下技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)的一種基于靜電力驅(qū)動(dòng)的微結(jié)構(gòu)諧振雙側(cè)彎曲疲勞試驗(yàn)裝置，包括電極、與電極連接的側(cè)臂和設(shè)置于側(cè)臂上的梳齒；其中一個(gè)電極連接交流電，通過(guò)該電極的底電極層和至少兩組與側(cè)臂成為一體的固定梳齒連接；另一個(gè)電極接地；通過(guò)結(jié)構(gòu)層直接和至少兩組與其側(cè)臂成為一體的懸置梳齒連接；該懸置梳齒與所述的固定梳齒為交錯(cuò)對(duì)應(yīng)設(shè)置；上述兩組固定梳齒之間由與交流電極連接的其一字型側(cè)臂連接；上述兩組懸置梳齒之間由與接地電極連接的T字型側(cè)臂連接；其中T字型側(cè)臂的橫直側(cè)臂連接懸置梳齒，其豎直側(cè)臂通過(guò)懸置梁與接地電極連接；上述懸置梁為疲勞試樣。
前述的固定梳齒和/或懸置梳齒為對(duì)稱(chēng)式設(shè)置和/或非對(duì)稱(chēng)式設(shè)置。
前述的電極最上層為金屬層，在金屬層下面為多晶硅結(jié)構(gòu)層，結(jié)構(gòu)層下面為固定層，在固定層下面進(jìn)一步設(shè)有底電極層。
前述的疲勞試樣的頂部設(shè)有加大所受的應(yīng)力水平的缺口。
前述的懸置梳齒的底部設(shè)有防止與基底黏附的的凸起部。
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。
本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)和有益效果本實(shí)用新型微結(jié)構(gòu)雙側(cè)彎曲疲勞試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)、各部分尺寸及試樣的受力環(huán)境來(lái)自于典型的MEMS構(gòu)件，適用于MEMS標(biāo)準(zhǔn)工藝加工，試樣與其它結(jié)構(gòu)連在一起，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(duì)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。試驗(yàn)中，試樣處于雙側(cè)彎曲受力環(huán)境中，與MEMS典型結(jié)構(gòu)所處的受力環(huán)境類(lèi)似。該微疲勞試驗(yàn)結(jié)構(gòu)裝置具有加工容易，操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，對(duì)MEMS結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的研究具有很高的實(shí)用價(jià)值。


圖1微結(jié)構(gòu)雙側(cè)彎曲疲勞試驗(yàn)裝置的正面全局圖；圖2微結(jié)構(gòu)雙側(cè)彎曲疲勞試驗(yàn)裝置的局部放大圖；圖3微結(jié)構(gòu)雙側(cè)彎曲疲勞試驗(yàn)裝置電極1的結(jié)構(gòu)剖視圖；圖4微結(jié)構(gòu)雙側(cè)彎曲疲勞試驗(yàn)裝置電極2的結(jié)構(gòu)剖視圖；圖5試驗(yàn)裝配示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)施例加以說(shuō)明一種基于靜電力驅(qū)動(dòng)的微結(jié)構(gòu)諧振雙側(cè)彎曲疲勞試驗(yàn)裝置，包括電極、與電極連接的側(cè)臂和設(shè)置于側(cè)臂上的梳齒；其中一個(gè)電極1連接交流電，通過(guò)該電極1的底電極層和兩組與側(cè)臂成為一體的固定梳齒連接；另一個(gè)電極2接地；通過(guò)結(jié)構(gòu)層直接和兩組與其側(cè)臂成為一體的懸置梳齒連接；該懸置梳齒與所述的固定梳齒為交錯(cuò)對(duì)應(yīng)設(shè)置；
上述兩組固定梳齒之間由與交流電極連接的其一字型側(cè)臂連接，側(cè)臂各段之間通過(guò)底電極連接；上述兩組懸置梳齒之間由與懸置梁連接的T字型側(cè)臂連接；其中T字型側(cè)臂的橫直側(cè)臂連接懸置梳齒，其豎直側(cè)臂通過(guò)懸置梁與接地電極連接；上述懸置梁為疲勞試樣。
根據(jù)該技術(shù)方案思路所設(shè)計(jì)的微結(jié)構(gòu)雙側(cè)彎曲疲勞試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖參見(jiàn)圖1、圖2、圖3、圖4。圖1為正面全局圖，其中1、2為電極，圖2為局部放大圖，圖3、圖4分別為電極1、2的結(jié)構(gòu)剖視圖，各電極最上層均覆蓋一層金屬叫金屬層，如圖3中所述的21、圖4中的25，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，如圖3中的22、圖4中的26為整個(gè)裝置的主要結(jié)構(gòu)層，結(jié)構(gòu)層的下面為固定層，如圖3中所示的23、圖4中的27，電極1固定層下面還有底電極層24，用于和固定梳齒5、6的側(cè)臂9、10之間的電學(xué)連接。3和5、4和6分別為兩對(duì)梳齒，其中，5、6為固定梳齒，通過(guò)底電極層12與電極1相連；3、4為懸置梳齒，由懸置梁7、8和連接懸置梁與懸置梳齒的T字型側(cè)臂懸置在空中；在靜電力的驅(qū)動(dòng)下可以上下活動(dòng)，通過(guò)懸置梁7、8和固定塊11與電極2相連。懸置梁7、8即為疲勞試樣，梳齒3、4的振動(dòng)將對(duì)試樣7、8產(chǎn)生雙側(cè)交變彎曲載荷，以達(dá)到疲勞試驗(yàn)的效果。疲勞試樣7、8的中間處引入缺口71，目的是為了造成應(yīng)力集中，加大試樣所受的應(yīng)力水平。梳齒3、4的反面設(shè)計(jì)有一些小凸起，這些凸起是為了防止釋放過(guò)程中懸置的微結(jié)構(gòu)與基底的黏附。
本實(shí)用新型所述的微結(jié)構(gòu)雙側(cè)彎曲疲勞試驗(yàn)裝置其工作原理是電極1接一定頻率的交流電，電極2接地。這樣在梳齒對(duì)3和5、4和6之間將產(chǎn)生交變靜電力，當(dāng)該靜電力的頻率與結(jié)構(gòu)的平面固有頻率相當(dāng)時(shí)，懸置部分將發(fā)生共振，從而帶動(dòng)試樣7、8產(chǎn)生周期性的彎曲載荷，造成試樣的疲勞損傷直至斷裂。梳齒3和4的振動(dòng)幅度可由顯微鏡進(jìn)行觀測(cè)，根據(jù)該振動(dòng)幅度算出試樣缺口部分所受的應(yīng)力水平來(lái)研究微尺寸試件的疲勞特性。
本實(shí)用新型利用上述微結(jié)構(gòu)雙側(cè)彎曲疲勞試驗(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(jiàn)圖5，主要由終端控制裝置200、信號(hào)發(fā)生器500、功率放大器400、試驗(yàn)裝置110構(gòu)成。微結(jié)構(gòu)雙側(cè)彎曲疲勞試驗(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(jī)150用于用于觀測(cè)懸置梁7、8的擺動(dòng)幅度及試驗(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(guò)功率放大器400放大后由探針120接入微結(jié)構(gòu)雙側(cè)彎曲疲勞試驗(yàn)裝置的交流電極1，電極2通過(guò)探針接地。
最后應(yīng)說(shuō)明的是以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本實(shí)用新型而并非限制本實(shí)用新型所描述的技術(shù)方案；因此，盡管本說(shuō)明書(shū)參照上述的各個(gè)實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型已進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)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(duì)本實(shí)用新型進(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)涵蓋在本實(shí)用新型的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求1.一種基于靜電力驅(qū)動(dòng)的微結(jié)構(gòu)諧振雙側(cè)彎曲疲勞試驗(yàn)裝置，包括電極、與電極連接的側(cè)臂和設(shè)置于側(cè)臂上的梳齒；其特征在于其中電極(1)連接交流電，通過(guò)該電極的底電極層(24)和至少兩組與側(cè)臂成為一體的固定梳齒(5)(6)連接；另一個(gè)電極(2)接地；通過(guò)結(jié)構(gòu)層(26)直接和至少兩組與其側(cè)臂成為一體的懸置梳齒(3)(4)連接；該懸置梳齒(3)(4)與所述的固定梳齒(5)(6)為交錯(cuò)對(duì)應(yīng)設(shè)置；上述兩組固定梳齒之間由與交流電極連接的其一字型側(cè)臂連接，側(cè)臂各段之間通過(guò)底電極(12)連接；上述兩組懸置梳齒之間由與懸置梁連接的T字型側(cè)臂連接；其中T字型側(cè)臂的橫直側(cè)臂連接懸置梳齒，其豎直側(cè)臂通過(guò)懸置梁(7)(8)和固定塊(11)與接地電極(2)連接；上述懸置梁(7)(8)為疲勞試樣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于靜電力驅(qū)動(dòng)的微結(jié)構(gòu)諧振雙側(cè)彎曲疲勞試驗(yàn)裝置，其特征在于所述的固定梳齒和/或懸置梳齒為對(duì)稱(chēng)式設(shè)置和/或非對(duì)稱(chēng)式設(shè)置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于靜電力驅(qū)動(dòng)的微結(jié)構(gòu)諧振雙側(cè)彎曲疲勞試驗(yàn)裝置，其特征在于所述的電極最上層為金屬層，在金屬層下面為多晶硅結(jié)構(gòu)層，結(jié)構(gòu)層下面為固定層，在固定層下面進(jìn)一步設(shè)有底電極層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于靜電力驅(qū)動(dòng)的微結(jié)構(gòu)諧振雙側(cè)彎曲疲勞試驗(yàn)裝置，其特征在于所述的疲勞試樣的頂部設(shè)有加大所受的應(yīng)力水平的缺口。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于靜電力驅(qū)動(dòng)的微結(jié)構(gòu)諧振雙側(cè)彎曲疲勞試驗(yàn)裝置，其特征在于在所述的懸置梳齒的底部設(shè)有防止與基底黏附的的凸起部。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于靜電力驅(qū)動(dòng)的微結(jié)構(gòu)諧振雙側(cè)彎曲疲勞試驗(yàn)裝置，其特征在于所述的控制終端為計(jì)算機(jī)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于靜電力驅(qū)動(dòng)的微結(jié)構(gòu)諧振雙側(cè)彎曲疲勞試驗(yàn)裝置，其特征在于所述的控制終端為單板機(jī)微處理器。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種基于靜電力驅(qū)動(dòng)的微結(jié)構(gòu)諧振雙側(cè)彎曲疲勞試驗(yàn)裝置，該裝置的一個(gè)電極連接交流電，通過(guò)該電極的底電極層和兩組與側(cè)臂成為一體的固定梳齒連接；另一個(gè)電極接地；通過(guò)結(jié)構(gòu)層直接和兩組與其側(cè)臂成為一體的懸置梳齒連接；該懸置梳齒與所述的固定梳齒為交錯(cuò)對(duì)應(yīng)設(shè)置；在兩組固定梳齒之間由與交流電極連接的其一字型側(cè)臂連接；兩組懸置梳齒之間由與接地電極連接的T字型側(cè)臂連接；其中T字型側(cè)臂的橫直側(cè)臂連接懸置梳齒，其豎直側(cè)臂通過(guò)懸置梁與接地電極連接；該懸置梁為疲勞試樣。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。
文檔編號(hào)G01N3/32GK2849703SQ200520144909
公開(kāi)日2006年12月20日 申請(qǐng)日期2005年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月21日
發(fā)明者丁雷, 尚德廣, 賈冠華, 孫國(guó)芹, 李浩群 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)