專利名稱：基于靜電力驅動的微結構諧振單向彎曲疲勞試驗裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型用于MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微機電系統(tǒng))結構材料多晶硅疲勞特性的研究，屬于微納米技術基礎研究領域。
背景技術：
MEMS(Micro Electromechanical System，即微電子機械系統(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電系統(tǒng)。概括起來，MEMS具有以下幾個基本特點，微型化、智能化、多功能、高集成度和適于大批量生產(chǎn)。MEMS技術的目標是通過系統(tǒng)的微型化、集成化來探索具有新原理、新功能的元件和系統(tǒng)。MEMS技術是一種典型的多學科交叉的前沿性研究領域，幾乎涉及到自然及工程科學的所有領域，如電子技術、機械技術、物理學、化學、生物醫(yī)學、材料科學、能源科學等。
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可靠性設計及壽命預測有著重要的意義。
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、電磁等驅動方式，標準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。單向彎曲是微機械構件常見的一種工作載荷，有必要設計一種用于微構件疲勞特性研究的彎曲疲勞試驗裝置，而且這種裝置能夠由現(xiàn)有的MEMS加工方法加工出來。

發(fā)明內容
本實用新型的目的在于通過提供基于靜電力驅動的微結構諧振單向彎曲疲勞試驗裝置，以便用于MEMS硅微構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準工藝加工出來。
本實用新型所采用技術方案的思路是由靜電力驅動，給微結構上的一對相互交錯的梳齒施加交流電以產(chǎn)生周期性的靜電力造成結構的單向彎曲，當該靜電力的頻率與結構的固有頻率一致時，懸置的微結構將發(fā)生共振，使得聯(lián)接于懸置結構的微試樣受到周期性的單向彎曲載荷，以達到彎曲疲勞試驗的效果；由顯微鏡觀測懸置結構的振動幅度，根據(jù)該振動幅度可求得試樣所受的應力水平；試樣與其它結構連在一起，與免去了試樣夾持與對中的麻煩；裝置的結構、各部分尺寸及試樣的受力環(huán)境必須來自于典型的MEMS構件，這樣其研究結果才具有實際意義；裝置的制備必須適合于現(xiàn)有的MEMS加工技術條件，不能存在難于加工或根本無法加工的結構。
本實用新型是采用以下技術手段實現(xiàn)的一種基于靜電力驅動的微結構諧振單向彎曲疲勞試驗裝置，包括有電極、和與電極相連接的固定梳齒和懸置梳齒；所述的固定梳齒的側壁與連接交流電的電極相連；所述的懸置梳齒通過連接粱及固定于基底的側臂固定塊與接地電極相連；所述的固定梳齒與懸置梳齒為交錯對應設置；上述連接粱的一端為與其成為一體的懸置梳齒4的連接臂的中點；其另一端為與其成為一體的側臂固定塊；連接粱為疲勞試樣。
前述的連接粱的根部設有缺口。
前述的懸置梳齒的底部設有數(shù)個凸起部。
前述的電極表面均覆蓋一層金屬層，在金屬層下層為多晶硅結構層，所述的電極由最下面的固定層固定在硅片基底上。
前述的終端控制裝置為計算機。
前述的終端控制裝置為單片機微處理器。
本實用新型與現(xiàn)有技術相比，具有明顯的優(yōu)勢和有益效果由于本實用新型的懸置梳齒的轉動中心位于其懸臂的中心附件，而且整個梳齒寬度設置得較寬，這樣在振動過程中懸置梳齒和固定梳齒之間基本不存在相對轉動，懸置梳齒基本是直上直下的直線運動，避免了兩者之間由于相對轉動而造成的干涉，從而相應能產(chǎn)生更大振動幅度。
另外，由于結構更加簡單，兩電路的連接線之間不存在交叉部分，因此結構中不需要使用底電極來“搭橋”，減少了一層結構，降低了制造成本。
同時還可以通過改變試樣的長寬可以使裝置的固有頻率和試樣缺口的根部應力發(fā)生變化，便于研究微梁在較大范圍內受力載荷下的疲勞特性。
結構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力水平，使疲勞試驗能夠在容許的時間范圍內完成。試驗中，試樣處于單向彎曲受力環(huán)境中，與MEMS典型結構所處的受力環(huán)境類似。該微疲勞試驗結構裝置具有加工容易，操作簡便等特點，對MEMS結構強度的研究具有很高的實用價值。


圖1微結構單向彎曲疲勞試驗裝置的正面全局圖；圖2微結構單向彎曲疲勞試驗裝置的局部放大圖；圖3微結構單向彎曲疲勞試驗裝置電極的結構剖視圖；圖4試驗裝配示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型的具體實施例加以說明根據(jù)該技術方案思路所設計的微結構單向彎曲疲勞試驗裝置的結構示意圖參見圖1、圖2、圖3。圖1為正面全局圖，圖2為微結構單向彎曲疲勞試驗裝置局部放大圖，圖3為電極結構剖視圖，其最大特征尺寸為300μm左右。其中1、2為電極，各電極上均覆蓋一層金屬叫金屬層9，目的是為了增強導電性，金屬層下面為多晶硅結構層10，整個電極由最下面的錨定層11固定在硅片基底上。3、4為一對梳齒，分別通過側臂8、7與電極1、2相連。梳齒3由側臂8的錨定層固定在基底上，梳齒4懸置在空中，通過連接梁5及固定于基底的側臂固定塊7與電極2相連，懸置梳齒4在靜電力的驅動下可以上下活動。連接梁5就是試驗所用分析的疲勞試樣，梳齒4的振動將對試樣產(chǎn)生交變彎曲載荷，達到彎曲疲勞試驗的效果。疲勞試樣即連接梁5的根部引入缺口6，目的是為了造成應力集中，加大試樣所受的應力水平。懸置梳齒4的反面設計有一些小凸起，這些凸起是為了防止釋放過程中懸置的微結構與基底的黏附。
本實用新型所述的微結構單向彎曲疲勞試驗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3、4之間將產(chǎn)生交變靜電力，當該靜電力的頻率與結構的平面固有頻率相當時，懸置部分將發(fā)生共振，從而帶動試樣即連接粱5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4的振動幅度可由顯微鏡進行觀測，根據(jù)該振動幅度算出試樣缺口部分所受的應力來研究微尺寸試件的疲勞特性。
本實用新型利用上述微結構雙側彎曲疲勞試驗裝置所設計的微機械疲勞試驗方案。該方案示意圖參見圖5，主要由終端控制裝置200、信號發(fā)生器500、功率放大器400、試驗裝置110構成。微結構雙側彎曲疲勞試驗裝置放于操作臺上，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上設有CCD攝像機150用于用于觀測懸置梁7、8的擺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接入微結構雙側彎曲疲勞試驗裝置的交流電極1，電極2通過探針接地。
本實用新型微結構單向彎曲疲勞試驗裝置的結構、各部分尺寸及試樣的受力環(huán)境來自于典型的MEMS構件，適用于MEMS標準工藝加工，試樣與其它結構連在一起，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。
最后應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的說明，但是，本領域的普通技術人員應當理解，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方案及其改進，其均應涵蓋在本實用新型的權利要求范圍當中。
權利要求1.一種基于靜電力驅動的微結構諧振單向彎曲疲勞試驗裝置，包括有電極、和與電極相連接的固定梳齒和懸置梳齒；其特征在于所述的固定梳齒(3)的側壁(8)與連接交流電的電極(1)相連；所述的懸置梳齒(4)通過連接粱(5)及固定于基底的固定塊(7)與接地電極(2)相連；所述的固定梳齒(3)與懸置梳齒(4)為交錯對應設置；上述連接粱(5)的一端為與其成為一體的懸置梳齒(4)的連接臂的中點；其另一端為與其成為一體的側臂(7)；連接粱(5)為疲勞試樣。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于靜電力驅動的微結構諧振單向彎曲疲勞試驗裝置，其特征在于所述的連接粱(5)的根部設有缺口。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于靜電力驅動的微結構諧振單向彎曲疲勞試驗裝置，其特征在于所述的懸置梳齒(4)的底部設有數(shù)個凸起部。
4.根據(jù)權利要求1所述的基于靜電力驅動的微結構諧振單向彎曲疲勞試驗裝置，其特征在于所述的電極層表面均覆蓋一層金屬層，在金屬層下層為多晶硅結構層，所述的電極由最下面的固定層固定在硅片基底上。
5.根據(jù)權利要求1所述的基于靜電力驅動的微結構諧振單向彎曲疲勞試驗裝置，其特征在于所述的終端控制裝置為計算機。
6.根據(jù)權利要求1所述的基于靜電力驅動的微結構諧振單向彎曲疲勞試驗裝置，其特征在于所述的終端控制裝置為單片機微處理器。
專利摘要本實用新型公開了一種基于靜電力驅動的微結構諧振單向彎曲疲勞試驗裝置，該裝置的固定梳齒的側壁與連接交流電的電極相連；所述的懸置梳齒通過連接粱及固定于基底的固定塊與接地電極相連；所述的固定梳齒與懸置梳齒為交錯對應設置；連接梁的一端為與其成為一體的懸置梳齒的連接臂的中點；其另一端為與其成為一體并通過錨定層固定于基底的側臂；連接梁為疲勞試樣。由于本實用新型的懸置梳齒的轉動中心位于其懸臂的中心附件，而且整個梳齒寬度設置得較寬，這樣在振動過程中懸置梳齒和固定梳齒之間基本不存在相對轉動，懸置梳齒基本是直上直下的直線運動，避免了兩者之間由于相對轉動而造成的干涉，從而相能產(chǎn)生更大振動幅度。便于研究微梁在較大范圍內受力載荷下的疲勞特性。
文檔編號G01N3/32GK2849704SQ200520144910
公開日2006年12月20日 申請日期2005年12月21日 優(yōu)先權日2005年12月21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