專利名稱：微結構諧振單向彎拉多軸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，微電子機械系統)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)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。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。
在當前MEMS所能達到的尺度下，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)，許多物理現象與宏觀世界有很大區(qū)別，因此許多原來的理論基礎都會發(fā)生變化，如力的尺寸效應、微結構的表面效應、微觀摩擦機理等，因此有必要對微動力學、微流體力學、微熱力學、微摩擦學、微光學和微結構學進行深入的研究。
MEMS的技術基礎可以分為以下幾個方面1、設計與仿真技術；2、材料與加工技術；3、封裝與裝配技術；4、測量與檢測技術；5、集成與系統技術等。
而在測量與檢測技術中，在宏觀狀態(tài)下屬于脆性材料的硅在微納米尺度下會產生疲勞特性，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對于MEMS可靠性設計及壽命預測有著重要的意義。
傳統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。鑒于微機械構件常工作于彎拉多軸應力狀況下，有必要設計一種用于微構件疲勞特性研究的彎拉多軸疲勞試驗裝置，而且這種裝置能夠由現有的MEMS加工方法加工出來。

發(fā)明內容
本實用新型提出了一種基于靜電力驅動的微結構諧振單向彎拉多軸疲勞試驗裝置，用于MEMS硅微構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準工藝加工出來。
本實用新型所采用技術方案的思路是(1)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生周期性的靜電力造成結構的單向彎拉，當該靜電力的頻率與結構的固有頻率一致時，懸置的微結構振動塊將發(fā)生共振，使得聯接于振動塊上的試樣受到周期性的單向彎曲拉伸載荷，以達到彎拉疲勞試驗的效果；(2)由電容傳感器和顯微鏡測量懸置振動塊的振動幅度，根據該振動幅度可求得試樣所受的應力水平；(3)試樣、驅動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；(5)裝置的制備必須適合于現有的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的一種微結構諧振單向彎拉多軸疲勞試驗裝置，包括驅動電極和檢測電極；其特征在于所述的驅動電極由通過錨定層固定在硅基底上的外側壁與驅動梳齒對連接；所述的檢測電極由通過錨定層固定在硅基底上的外側壁與檢測梳齒對連接；上述驅動梳齒和檢測梳齒夾合的懸置振動塊的端部與產生交變應力的試樣的一端連接；試樣的另一端與接地電極相連；試樣與驅動及檢測裝置為一體性結構；所述的振動塊分布著直線條的網格狀通孔；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；前述的網格狀通孔為對稱式和/或非對稱式。
前述的網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構層，多晶硅結構層下面是錨定層，整個電極通過錨定層錨定于硅片基底上。
前述的懸置振動塊底的面有設有防止釋放過程中振動塊與基底的黏附的數個凸起部。
前述的檢測電極為電容傳感器。
前述的控制終端為計算機。
前述的控制終端為單板機微處理器。
本實用新型與現有技術相比具有明顯的優(yōu)勢和有益效果本實用新型的結構、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，試樣與驅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。本實用新型的振動塊由于采用了由于采用了網格狀，避免了釋放孔的設計，而且其線條全為直線構成，降低了制版成本。同時降低了振動塊質量，提高了振動固有頻率，使得疲勞能夠更早發(fā)生，同時由于該網格狀通孔的可以根據驅動諧振頻率和振幅的需要采用對稱或非對稱設計，因此可以更進一步提高其疲勞試驗的精度，又由于避免了釋放孔的設計，而且其線條全為直線構成，降低了制版成本。同時降低了振動塊質量，提高了振動固有頻率，使得疲勞能夠更早發(fā)生。


圖1為微結構諧振單向彎拉多軸疲勞試驗裝置的正面示意圖；圖2為微結構諧振單向彎拉多軸疲勞試驗裝置局部放大圖；圖3為微結構諧振單向彎拉多軸疲勞試驗裝置底面局部放大圖；圖4為微結構諧振單向彎拉多軸疲勞試驗裝置電極結構層的剖面示圖；圖5為試驗裝配示意圖。
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本實用新型微結構諧振單向彎拉多軸疲勞試驗裝置的結構示意圖。請參閱圖1所示，為微結構諧振單向彎拉多軸疲勞試驗裝置的正面示意圖。從圖中可以看出，1、2、3為3個電極；電極1為驅動電極，電極2為檢測電極，電極3為接地電極；請參閱圖4所示，為微結構諧振單向彎拉多軸疲勞試驗裝置電極結構層的剖面示圖；各電極的表面為一層金屬叫做金屬層4，目的是為了增強導電性，金屬層下面為多晶硅結構層5，該裝置的主要結構都處于該層，多晶硅結構層下面是錨定層6；整個電極通過錨定層錨定于硅片基底上。
驅動電極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壁13與驅動梳齒8連接；檢測電極2通過由錨定層63固定在硅基底上的外側壁14與檢測梳齒9連接；上述驅動梳齒和檢測梳齒夾合的懸置振動塊11的端部與產生交變應力的試樣12的一端連接；試樣12的另一端與接地電極相連；試樣12與驅動及檢測裝置為一體性結構；所述的振動塊11分布著直線條的網格狀通孔111。
圖2為其主要結構部分的局部放大圖，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用來驅動，9和10作為電容傳感器用來檢測振動塊11的振動幅度。兩對梳齒的外側分別與電極1、2連接，均通過固定層固定于硅基底上，內側梳齒與振動塊11相連懸置于空中，振動塊11的根部為疲勞試樣12，振動過程中振動塊11的擺動將對疲勞試樣12產生交變載荷，以使試樣產生疲勞破壞。疲勞試樣12的尺寸為38μm×20μm，在試樣的根部引入缺口121，目的是為了造成應力集中，加大試樣12所受的應力水平。試樣12的另一端與電極3相連，固定在基底上。振動塊11設計成網格狀通孔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入犧牲層。振動塊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構與基底的黏附。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。
本實用新型所述微結構諧振單向彎拉多軸疲勞試驗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之間將產生交變靜電力，當該靜電力的頻率與振動塊11的平面固有頻率相當時，振動塊11將發(fā)生共振，從而帶動試樣12產生周期性的彎曲載荷，另外，振動塊11振動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產生多軸交變應力，從而造成試樣12的疲勞損傷直至斷裂。電極2接直流電，振動塊11的振動將造成梳齒9和10之間電容的變化，通過一感測電路測出這種變化，再由計算機分析處理后便能間接測量出振動塊的振動幅度，該測量結果可與顯微鏡的觀測結果進行對比，檢驗其正確性。根據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。
由于振動塊采用了網格狀，避免了釋放孔的設計，而且其線條全為直線構成，降低了制版成本。同時降低了振動塊質量，提高了振動固有頻率，使得疲勞能夠更早發(fā)生，還由于該網格狀通孔可以根據驅動諧振頻率和振幅的需要采用對稱或非對稱設計，因此可以更進一步提高其疲勞試驗的精度。試驗中，試樣處于拉伸、彎曲多軸受力環(huán)境中，與MEMS典型結構所處的受力環(huán)境類似。該微結構疲勞試驗裝置具有加工容易，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，達到了本實用新型所提出的目的和要求。
本實用新型的實施例為利用上述微結構諧振單向彎拉多軸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，主要由電腦、信號發(fā)生器、功率放大器、試驗操作臺及振幅測量電路構成。微結構諧振單向彎拉多軸疲勞試驗裝置放于操作臺上，其電路連接由操作臺上探針提供，疲勞試樣上方放有顯微鏡，用于觀測振動塊11的振幅及試驗的進行情況。信號發(fā)生器產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裝置的驅動電極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，最后接入電腦進行分析處理。
實驗結果的觀測過程為電極2接直流電，振動塊11的振動將造成梳齒對9、10之間電容的變化，通過感測電路測出這種變化，再交給計算機或單板機微處理器的相應軟件進行分析處理便能間接測量出振動塊的振動幅度，該測量結果可與顯微鏡的觀測結果進行對比，檢驗其正確性。根據該振動幅度即可用有限元方法算出試樣缺口部分121所受的應力。
本實用新型的實施例為利用上述微結構諧振單向彎拉多軸疲勞試驗裝置系統所設計的微機械疲勞特性試驗方案。該方案示意圖參見圖5，主要由微結構諧振單向彎拉多軸疲勞試驗操作臺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，包含本實用新型所述結構的芯片110與驅動探針120和檢測探針130相連，顯微鏡140和設在該顯微鏡上的CCD攝像機150置于試驗芯片上方。
微結構諧振單向彎拉多軸疲勞試驗裝置放于操作臺100上，其電路連接由操作臺上的驅動探針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150，用于觀測振動塊11的振幅及試驗的進行情況。信號發(fā)生器500產生的具有固定頻率的正弦信號通過功率放大器400的放大后由驅動探針120接入微結構諧振單向彎拉多軸疲勞試驗裝置的驅動電極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，最后接入計算機進行分析處理。
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1.一種微結構諧振單向彎拉多軸疲勞試驗裝置，包括驅動電極和檢測電極；其特征在于所述的驅動電極由通過錨定層固定在硅基底上的外側壁與驅動梳齒對連接；所述的檢測電極由通過錨定層固定在硅基底上的外側壁與檢測梳齒對連接；上述驅動梳齒和檢測梳齒夾合的懸置振動塊的端部與產生交變應力的試樣的一端連接；試樣的另一端與接地電極相連；試樣與驅動及檢測裝置為一體性結構；所述的振動塊分布著直線條的網格狀通孔；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.根據權利要求1所述的微結構諧振單向彎拉多軸疲勞試驗裝置，其特征在于所述的網格狀通孔為對稱式和/或非對稱式。
3.根據權利要求1所述的微結構諧振單向彎拉多軸疲勞試驗裝置，其特征在于所述的網格狀通孔的分布為對稱式和/或非對稱式。
4.根據權利要求1所述的微結構諧振單向彎拉多軸疲勞試驗裝置，其特征在于所述的試樣為根部缺口粱形狀。
5.根據權利要求2所述的微結構諧振單向彎拉多軸疲勞試驗裝置，其特征在于所述試樣的前面設有釋放孔。
6.根據權利要求1所述的微結構諧振單向彎拉多軸疲勞試驗裝置，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構層，多晶硅結構層下面是錨定層，整個電極通過錨定層錨定于硅片基底上。
7.根據權利要求1所述的微結構諧振單向彎拉多軸疲勞試驗裝置，其特征在于所述的懸置振動塊底的面有設有防止釋放過程中振動塊與基底的黏附的數個凸起部。
8.根據權利要求1所述的微結構諧振單向彎拉多軸疲勞試驗裝置，其特征在于所述的檢測電極為電容傳感器。
9.根據權利要求1所述的微結構諧振單向彎拉多軸疲勞試驗裝置，其特征在于所述的控制終端為計算機。
10.根據權利要求1所述的微結構諧振單向彎拉多軸疲勞試驗裝置，其特征在于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構諧振單向彎拉多軸疲勞試驗裝置，其驅動電極由通過錨定層固定在硅基底上的外側壁與驅動梳齒對連接；其檢測電極由通過錨定層固定在硅基底上的外側壁與檢測梳齒對連接；上述驅動梳齒和檢測梳齒夾合的懸置振動塊的端部與產生交變應力的試樣的一端連接；試樣的另一端與接地電極相連；試樣與驅動及檢測裝置為一體性結構；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；所述的振動塊為直線條的網格狀。本實用新型的振動塊由于采用了網格狀，避免了釋放孔的設計，而且其線條全為直線構成，降低了制版成本。同時降低了振動塊質量，提高了振動固有頻率，使得疲勞能夠更早發(fā)生。
文檔編號G01N3/317GK2864663SQ200520145010
公開日2007年1月31日 申請日期2005年12月16日 優(yōu)先權日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