CN100498275C - 平行板电容驱动的微结构扭转疲劳实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种平行板电容驱动的微结构扭转疲劳实验装置，属于微纳米尺度材料特性基础研究领域。该装置共有三个电极，驱动电极1接交流电，通过该电极的底电极层与第一悬置平板(9)构成平行板电容驱动器，实现对悬置平板的垂直驱动。电极(2)的底电极层与第二悬置平行板(10)构成平行板电容传感器，通过外接振幅检测电路来获得实验过程中悬置平板与底电极之间间距的变化。第三个电极(11)接地。试样(7、8)为一个处在平板中轴线上的悬臂梁，其一端与固定块相连，另一端在悬置平板的带动下受到扭力作用。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构件的扭转应力环境等特点。

Description

平行板电容驱动的微结构扭转疲劳实验装置

技术领域

本发明涉及一种平行板电容驱动的微结构扭转疲劳实验装置，用于扭转应力环境下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

微电子机械系统(Micro Electro Mechanical System)，简称MEMS，是在微电子技术基础上发展起来的集微型机械、微传感器、微执行器、信号处理、智能控制于一体的一项新兴的科学领域。它将常规集成电路工艺和微机械加工独有的特殊工艺相结合，涉及到微电子学、机械设计、自动控制、材料学、光学、力学、生物医学、声学和电磁学等多种工程技术和学科，是一门多学科的综合技术。

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。

目前存在的一些用于MEMS结构材料性能的检测装置多使用了梳状驱动器进行横向的静电驱动，因此仅仅能够模拟MEMS结构拉伸和弯曲的工作环境，由于横向驱动的约束性，无法模拟MEMS结构的扭转受力。

因此，为了满足MEMS系统结构的设计要求，必须引入新的小型化的精密测量装置来研究其扭转受力疲劳失效特性。

发明内容

本发明的根本目的是：提供了一种平行板电容驱动MEMS扭转疲劳特性研究装置，来模拟MEMS微结构的扭转受力工作环境和应力状态，进而研究MEMS结构材料多晶硅的扭转疲劳特性。

本发明采用了如下技术方案。主要包括有驱动电极1、检测电极2、左侧实验试样7、右侧实验试样8、第一底电极5、第二底电极6、连为一体的第一悬置平板9和第二悬置平板10。其中，在第一悬置平板9和第二悬置平板10之间的中轴线的两端并沿着中轴线的方向开有缺口，缺口处设置有左侧实验试样7和右侧实验试样8，左侧实验试样7和右侧实验试样8的一端与两个悬置平板之间的中轴线相联，另一端分别连到左固定块3和右固定块4上，由第一悬置平板9、第二悬置平板10及左侧实验试样7和右侧实验试样8组成的悬置部分通过左固定块3和右固定块4固定悬置并通过右固定块4与接地电极11相连。第一悬置平板9和设置在其下方的第一底电极5组成平行板电容驱动器，第二悬置平板10和设置在其下方的第二底电极6组成平行板电容传感器。接地电极1接地第一底电极5通过驱动电极1接交流电，第二底电极6通过检测电极2与外部振幅检测电路相连，用于检测悬臂梁试样的扭转角度。在悬臂梁试样7和8上开有缺口。第一底电极5、第二底电极6都与硅基底固定。

本发明中的第一悬置平板9、第二悬置平板10及左侧实验实样7和右侧实验试样8连为一体并通过接地电极11接地，第一底电极5和第一悬置平板9组成平行板驱动电容。实验过程中，驱动电极1通过探针接交流电信号，接地电极11接地。由于第一底电极5和驱动电极1相连，第一悬置平板9通过悬臂梁试样8和右固定块4接到接地电极11，这样在由第一悬置平板9和位于其正下方的第一底电极5构成的平行板电容之间就产生交变的静电力。由于第一底电极固定在硅基底上，所以第一悬置平板9就受到了垂直方向静电力的驱动。这样试样7在平行板的带动下就受到了扭转应力的作用。当该静电力的频率与第一悬置平板的固有频率相当时，悬置平板将发生共振，从而始悬臂梁试样7内部产生周期性的扭转载荷，使试样7和8处于典型的扭转应力状态下。

检测电极2接直流电，第一悬置平板9的振动将带动第二悬置平板10和第二底电极6之间电容的变化，通过感测电路测出这种变化，再交给计算机或单板机微处理器的相应软件进行分析处理便能间接测量出振动块的振动幅度进而推出悬臂梁试样的扭转角度。同时，还通过设置平行板电容传感器和在悬臂梁试样7(或8)上方的显微镜来测量悬置平板的振动幅度并观察实验的进行情况，根据测得的振动幅度推算出试样的扭转角度。该测量结果可与通过平行板电容器测得的结果进行对比，检验其正确性。

实验中，通过在悬臂梁试样7和8中间开三角型的缺口来使疲劳现象易于观察。通过设置在悬置平板下面的凸起，防止悬置部分与基底黏附。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。

本发明与现有技术相比具有明显的优势和有益效果：

1、本发明采用平行板电容结构，克服了传统梳状静电驱动器只能实现横向驱动的不足，实现了垂直静电驱动，并且平行板电容静电驱动器可以产生较大的静电力，达到了进行疲劳实验的要求。

2、用于支撑平行板的悬臂梁试样处在悬置平板开出的条形缺口之中，这样就大大缩短了悬置部分的跨度，平行板重力对悬臂梁根部的弯距较小。

3、悬臂梁试样与驱动及检测装置连于一体，免去了夹持与对中的麻烦，具有加工容易，操作简便等特点

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构件的扭转应力环境等特点。因此对处于微尺度的MEMS构件扭转疲劳特性的研究具有很高的价值。

附图说明

图1平行板电容驱动MEMS扭转疲劳特性实验装置正面全局图

图2平行板电容驱动MEMS扭转疲劳特性实验装置立体结构图

图3平行板电容驱动MEMS扭转疲劳特性实验装置左侧试样剖视图

图4平行板电容驱动MEMS扭转疲劳特性实验装置右侧试样局部放大图

图5试验装配示意图

图中：1、驱动电极，2、检测电极，3、左固定块，4、右固定块，5、第一底电极，6、第二底电极，7、左侧实验试样，8、右侧实验试样9、第一悬置平板，10、第二悬置平板，11、接地电极，21、驱动电极的金属层，22、驱动电极的多晶硅结构层，23、驱动电极的固定层，25、左侧固定块的固定层，26、第一悬置平板9下面的凸起，27、由固定块和检测电极的结构层及7、8、9、10构成的该装置的主要结构层，31、右侧固定块和接地电极的固定层，32、接地电极的金属层。

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。

本实施例共有三个电极，其中驱动电极1接交流电，通过该电极的底电极层5与第一悬置平板9构成平行板电容驱动器，实现对第一悬置平板9的垂直驱动。检测电极2的底电极层6与第二悬置平行板10构成平行板电容传感器，通过外接振幅检测电路来获得实验过程中第二悬置平板10与第二底电极6之间间距的变化，即电容的变化。接地电极11接地。悬臂梁试样7和8为处在悬置平板中轴线上的悬臂梁，其一端与固定块相连，另一端在悬置平板的带动下受到扭力作用。为了提高试样所受的应力水平，缩短实验时间，在试样中间开了三角型的缺口，同时在实验过程中应用了该装置的共振特性。

图3平行板电容驱动MEMS扭转疲劳特性研究装置左侧试样剖视图，其中21为驱动电极1的金属层，22为驱动电极1的多晶硅结构层，23为驱动电极1的固定层，5为驱动电极1的底电极层，25为左固定块3的固定层，26为第一悬置平板9下面的凸起，27为由固定块和检测电极的结构层及7、8、9、10构成的该装置的主要结构层。

图4平行板电容驱动MEMS扭转疲劳特性研究装置右侧局部放大图，其中6为检测电极2即平行板电容传感器的底电极层，31为右固定块4和电极11的固定层，32为接地电极11的金属层。

本实施例从总体上看，分为四层，从上到下依次为金属层、多晶硅结构层、固定层、底电极层。图3中的21和图4中的32分别为电极1和电极11最上面的金属层，其目的是为了增强电极的导电性。金属层下面为多晶硅结构层，该层为整个装置的主要结构层，图3中的驱动电极1的多晶硅结构层22和图3、图4中的27即固定块和检测电极的结构层及7、8、9、10均位于该层并连为一体。多晶硅结构层的下面为固定层，如图3中的23、25和图4中的31均位于该层。固定层下面还有底电极层如图1中的5和6。驱动电极1、检测电极2、接地电极11和左固定块3、右固定块4都是通过固定层固定在底电极或硅基底上的。第一底电极5、第二底电极6和第一悬置平板8、第二悬置平板9分别构成了平行板电容驱动器和平行板电容传感器。

第一悬置平板9、第二悬置平板10通过其两端的悬臂梁试样7和8在左固定块3和右固定块4的支撑下分别悬置在第一底电极5、第二底电极6的正上方。

检测电极2接直流电，第一悬置平板9的振动将带动第二悬置平板10和第二底电极6之间电容的变化，通过感测电路测出这种变化，再交给计算机或单板机微处理器的相应软件进行分析处理便能间接测量出振动块的振动幅度进而推出悬臂梁试样的扭转角度，该测量结果可与显微镜的观测结果进行对比，检验其正确性。

图5为利用上述平行板电容驱动MEMS扭转疲劳特性研究装置所设计的微机械疲劳特性试验方案。主要由平行板电容驱动MEMS扭转疲劳特性研究装置实验台50、终端控制装置41、与终端控制装置连接的信号发生器42、和将信号发生器的信号进行放大的功率放大器43、以及与终端控制装置输入端相连的振幅测量电路49组成。

其中，平行板电容驱动MEMS扭转疲劳特性研究装置装置操作台50，包括平行板电容驱动MEMS扭转疲劳特性研究装置45和与其相连接的驱动探针44和检测探针46，以及显微镜47和设在该显微镜上的CCD摄像机48。研究装置45即为上面所述的包括三个电极。两个平行板电容的扭转疲劳实验装置。

平行板电容驱动MEMS扭转疲劳特性研究装置放于操作台50上，其电路连接由操作台上的驱动探针44和检测探针46提供，试样7或8上方放有显微镜47，显微镜上方装有CCD摄像机48，用于观测悬置平板的振幅及试验的进行情况。信号发生器42产生的具有固定频率的正弦信号通过功率放大器43的放大后由驱动探针44接入平行板电容驱动MEMS扭转疲劳特性研究装置的驱动电极1，电极11通过探针接地，检测电极2通过探针46引出，接入振幅测量电路，最后接入计算机进行分析处理。

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、平行板电容驱动的微结构扭转疲劳实验装置，其特征在于：主要包括有驱动电极(1)、检测电极(2)、左侧实验试样(7)、右侧实验试样(8)、第一底电极(5)、第二底电极(6)、连为一体的第一悬置平板(9)和第二悬置平板(10)；其中，在第一悬置平板(9)和第二悬置平板(10)之间的中轴线的两端并沿着中轴线的方向分别开有缺口，缺口处分别设置有左侧实验试样(7)和右侧实验试样(8)，左侧实验试样(7)和右侧实验试样(8)的一端与两个悬置平板之间的中轴线相联，另一端分别连到左固定块(3)和右固定块(4)上，由第一悬置平板(9)、第二悬置平板(10)及左侧实验试样(7)和右侧实验试样(8)组成的悬置部分通过左固定块(3)和右固定块(4)固定悬空并通过右固定块(4)与接地电极(11)相连而接地；第一悬置平板(9)和设置在其下方的第一底电极(5)组成平行板电容驱动器，第二悬置平板(10)和设置在其下方的第二底电极(6)组成平行板电容传感器；第一底电极(5)通过驱动电极(1)接交流电，第二底电极(6)通过检测电极(2)与外部振幅检测电路相连，用于检测实验试样的扭转角度。

2、根据权利要求1所述的平行板电容驱动的微结构扭转疲劳实验装置，其特征在于：在左侧实验试样(7)和右侧实验试样(8)的侧面上开有缺口。

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