CN100491961C - 静电梳状驱动mems双轴拉伸疲劳特性实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种静电梳状驱动MEMS双轴拉伸疲劳特性实验装置，属于微纳米尺度材料特性基础研究领域。该装置共有两个电极(1，2)，其中电极(2)接交流电，通过多晶硅结构层连接到固定梳齿(12、13)。另一个电极(1)接地，通过结构层的两个相互垂直的悬臂梁与梁另一端的悬置梳齿连接。接交流电的两组固定梳齿与接地的两组悬置梳齿交错设置从而构成两组梳齿静电驱动器。两个相互垂直的悬臂梁交叉部分为疲劳试样。本发明中使得试样(悬臂梁的公共部分)(7)处于典型的双轴拉伸应力状态下，克服了传统MEMS实验装置仅能够模拟试样的单轴拉伸和弯曲应力状态的不足；这样对于MEMS疲劳特性的研究非常有利。

Description

静电梳状驱动MEMS双轴拉伸疲劳特性实验装置

技术领域

本发明涉及一种静电梳状驱动MEMS双轴拉伸疲劳特性实验装置，用于双轴拉伸应力环境下MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)多晶硅结构疲劳特性的研究，属于微纳米尺度材料特性基础研究领域。

背景技术

在过去的几十年里，单晶硅和多晶硅薄膜被广泛的应用于MEMS(微机械系统)。然而在很多的装置中，例如汽车安全气囊中的加速度传感器，在循环载荷的作用下，疲劳破坏经常发生。目前人们对宏观状态下属于脆性材料的硅在微纳米尺度下疲劳的基本原理还不太清楚。

此外，MEMS的基本构件并不是传统机械的简单几何缩小，当构件细微到微米/纳米尺度后，材料本身的力学性质会发生显著的变化，从而出现强烈的尺寸效应。常规条件下材料的力学性能参数已远不能满足MEMS的设计要求。

目前存在的一些疲劳特性检测装置仅仅能够模拟MEMS结构单轴拉伸和单轴弯曲的工作环境，但是事实上有很多MEMS结构在工作状态下都是出于复杂的双轴拉伸应力环境下的。

因此为了满足MEMS系统结构设计的要求，必须引入新的小型化的精密测量装置来研究其双轴拉伸疲劳失效特性。

发明内容

本发明中提供了一种静电梳状驱动MEMS双轴拉伸疲劳特性研究装置，来模拟MEMS微结构的实际工作环境和应力状态，进而研究MEMS结构材料多晶硅的双轴拉伸疲劳特性。

本发明采取了如下技术方案。本装置主要包括有接地电极1、驱动电极2、第一固定梳齿4、第二固定梳齿10、第一悬置梳齿5和第二悬置梳齿9。其中，驱动电极2通过两个互相垂直的第一固定梁13、第二固定梁12分别连接到第一固定梳齿4和第二固定梳齿10。接地电极1通过两个互相垂直的第一悬臂梁6、第二悬臂梁8分别连接到第一悬置梳齿5、第二悬置梳齿9，第一固定梳齿4和第一悬置梳齿5、第二固定梳齿10和第二悬置梳齿9构成两组梳齿静电驱动器，在第一悬臂梁6、第二悬臂梁8的交叉部分为疲劳实验试样7。接地电极1接地，驱动电极2接交流电。在疲劳实验试样7的正中开有正方形的缺口。

在本发明中，通过设置一对相互垂直的悬臂梁来实现试样的双轴拉伸应力环境。实验时，对接地电极1接地，对驱动电极2施加正旋波电信号，这样在梳齿对9和10、5和4之间将产生交变静电力，当该静电力的频率与结构的平面固有频率相当时，悬置部分将发生共振。从而带动悬臂梁8和6产生周期性的拉伸载荷，使试样7处于典型的双轴拉伸应力状态下。梳齿9和5的振动幅度可由显微镜进行观测，根据该振动幅度算出试样缺口部分所受的应力水平来研究微尺寸试件的双轴疲劳特性。

整个装置的结构和各构件的尺寸均符合现有表面微机械加工的工艺要求。

本发明的有益效果为：1)静电梳状驱动MEMS双轴拉伸疲劳特性研究装置的构件与典型MEMS构件在尺寸上相一致；此外由于采用了交叉悬臂梁设置使得试样(悬臂梁的公共部分)处于典型的双轴拉伸应力状态下，克服了传统MEMS实验装置仅能够模拟试样的单轴拉伸和弯曲应力状态的不足；这样对于MEMS疲劳特性的研究非常有利；2)该装置使用表面微机械工艺加工，试样与悬臂梁和电极等是一个整体，完全避免了传统疲劳试验的夹持和对中操作；3)为了提高试样所受的应力水平，缩短实验时间，在试样中心开了正方型的缺口，同时在实验过程中应用了该装置的共振特性；4)该装置具有加工简单，操作方便，容易获取真实实验数据，真实模拟MEMS构件的双轴受力环境等特点，因此对处于微尺度的MEMS构件的双轴拉伸疲劳特性的研究具有很高的价值。

附图说明

图1静电梳状驱动MEMS双轴拉伸疲劳特性实验装置正面全局图

图2该装置的立体结构图

图3该装置的实验装配图

图中：1、接地电极，2、驱动电极，3、第一横梁，4、第一固定梳齿，5、第一悬置梳齿，6、第一悬臂梁，7、疲劳实验试样，8、第二悬臂梁，9、第二悬置梳齿，10、第二固定梳齿，11、第二横梁，12、第二固定梁，13、第一固定梁，21、接地电极的固定层，22、接地电极的结构层、23接地电极的金属层，24、第二固定梁的结构层，25、驱动电极及第一和第二固定梁的固定层，26、驱动电极的金属层，27、驱动电极的结构层，28、第一固定梁的结构层。

具体实施方式

下面结合附图1～4对本发明的具体实施例加以说明。

本实施例共有两个电极，其中驱动电极2接交流电，通过多晶硅结构层的第一固定梁13、第二固定梁12连接到第一固定梳齿4、第二固定梳齿10上。接地电极1接地，通过多晶硅结构层的两个相互垂直的第一悬臂梁6、第二悬臂梁8和其末端的第一横梁3、第二横梁11与第一悬置梳齿5、第二悬置梳齿9相连。接交流电的两组固定梳齿与接地的两组悬置梳齿交错设置从而构成两组梳齿静电驱动器。两个悬臂梁以及与悬臂梁相连的横梁和梳齿沿45度角对称，使疲劳试样7受到的沿两个轴向的拉伸应力相同。两个相互垂直的第一悬臂梁6、第二悬臂梁8的交叉部分7为疲劳试样，为了提高试样所受的应力水平，缩短实验时间在试样中心开了正方型的缺口，同时在实验过程中应用了该装置的共振特性。

本实施例的静电梳状驱动MEMS双轴拉伸疲劳特性研究装置的详细结构参见图1、图2。

图2中的23和26分别为接地电极1和驱动电极2最上面的金属层，其目的是为了增强导电性。金属层下面为多晶硅结构层，如图2中的3、4、5、6、7、8、9、10、11、22、24、27、28。结构层的下面为固定层，如图2中所示的21、25。图2中的9和10，4和5分别为两对梳齿，其中，10和4为固定梳齿，通过固定梁12和13与电极1相连。9和5为悬置梳齿，通过悬臂梁8和6与电极1相连。在横梁11、3和悬臂梁8、6的支撑下梳齿9和5悬置在空中。当电极接通电信号时，在静电力的驱动下悬置梳齿可以往复活动。悬臂梁6和8的公共部分7即为双轴拉伸疲劳试样，梳齿9、5的振动将对试样7产生双轴拉伸载荷，以达到疲劳试验的效果。疲劳试样7的中间处引入缺口，目的是为了造成应力集中，加大试样所受的应力水平。横梁3和11的反面设计有一些小凸起，这些凸起是为了防止释放过程中悬置的微结构与基底的黏附。

本发明利用上述静电梳状驱动MEMS双轴拉伸疲劳特性研究装置所设计的微机械疲劳试验方案。该方案示意图参见图3，主要由终端控制装置31、信号发生器32、功率放大器33和试验装置35构成。静电梳状驱动MEMS双轴拉伸疲劳特性研究装置放于操作台上，其电路连接由操作台上探针34提供，疲劳试样上方放有显微镜36，在显微镜36上设有CCD摄像机37用于观测悬臂梁6，8的振动幅度及试验的进行情况。信号发生器32产生的具有固定频率的正弦波信号通过功率放大器33放大后由探针34接入静电梳状驱动MEMS双轴拉伸疲劳特性研究装置的驱动电极2，接地电极1通过探针接地。

通过在试样正中开正方形的缺口来使疲劳现象易于观察。通过悬臂梁下面的凸起，防止悬置部分与基底黏附。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离实用新型的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1、静电梳状驱动MEMS双轴拉伸疲劳特性实验装置，其特征在于：主要包括有接地电极(1)、驱动电极(2)、第一固定梳齿(4)、第二固定梳齿(10)、第一悬置梳齿(5)和第二悬置梳齿(9)；其中，驱动电极(2)通过两个互相垂直的第一固定梁(13)、第二固定梁(12)分别连接到第一固定梳齿(4)和第二固定梳齿(10)；接地电极(1)通过两个互相垂直的第一悬臂梁(6)、第二悬臂梁(8)分别连接到第一悬置梳齿(5)、第二悬置梳齿(9)，第一固定梳齿(4)和第一悬置梳齿(5)、第二固定梳齿(10)和第二悬置梳齿(9)构成两组梳齿静电驱动器，在第一悬臂梁(6)、第二悬臂梁(8)的公共部分为疲劳实验试样(7)，接地电极(1)接地，驱动电极(2)接交流电。

2、根据权利要求1所述的静电梳状驱动MEMS双轴拉伸疲劳特性实验装置，其特征在于：在疲劳实验试样(7)上开有正方形的缺口。

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