CN104445056B - 一种用于mems振动疲劳或扭转疲劳的四梁测试结构 - Google Patents

Abstract

一种用于测试MEMS振动疲劳或扭转疲劳的四梁测试结构，包括衬底、沉积于衬底上表面的四块正方形下板板、水平悬置在衬底上方的一块大正方形上极板、连接于上极板的四根窄梁、水平连接在衬底上的一个方形环框架。所述四块正方形下极板相互独立，表面均涂有介质薄层，以2×2排列方式构成一个大正方形；所述四根窄梁的一端分别垂直连接在正方形上极板四条边的侧面的中部，另一端分别连接在外围方形环框架的四个侧面，上极板和四根窄梁及方形环框架的顶面处同一平面；所述上极板通过四根窄梁和方形环框架的支撑悬置在整个下极板的正上方。该发明结构简单，测试方便，易于加工且功能强。

Description

一种用于MEMS振动疲劳或扭转疲劳的四梁测试结构

技术领域

本发明涉及一种微机电系统(MEMS)微梁疲劳强度的测试领域，尤其是一种振动疲劳或扭转疲劳强度的测试结构。

背景技术

微纳材料的力学性能直接影响MEMS器件的性能和可靠性。因此，准确测量材料的力学参数是高性能MEMS器件的保障。断裂强度是重要力学参数之一，它与薄膜材料的淀积工艺、刻蚀工艺、微结构和几何形状有关，因此通过理论计算或软件模拟无法准确获知。实际中，更多地是采用实测方法来获取断裂强度的信息。断裂强度最常用的测量方法是通过测试结构的设计，对测试样品产生量程大、数值可变的加载力，通过直接测量样品被拉断时的力来确定样品的断裂强度。在实际应用中常用MEMS窄梁常应用在周期性振动或反复扭转的环境中，当梁受到循环载荷的影响后，必然会发生疲劳损伤，使梁的强度下降，因此提供一种简单高效的MEMS振动疲劳或扭转疲劳的测试结构是必要的。

本发明利用四块分立式下电极结构的多种组合，实现静电驱动下MEMS窄梁振动、扭转作用下的疲劳强度测试。结构简单、方法易行且一体多用，具有很好的实用意义。

发明内容

技术问题：本发明提供了一种结构简单、易于操作的MEMS振动疲劳或扭转疲劳的四梁测试结构MEMS扭转梁疲劳强度的测试结构和测试方法，利用四个分立式下电极结构的多种组合，实现静电驱动下MEMS窄梁振动、扭转作用下的疲劳强度测试。

技术方案：本发明的一种用于测试MEMS振动疲劳或扭转疲劳的四梁测试结构，包括衬底、沉积于衬底上表面的下极板组、水平悬置在衬底上方的一块大正方形上极板、连接于上极板的四根窄梁、连接在衬底上的一个方形环框架；

所述下极板组由相互独立的、四块大小相同的正方形第一下极板、第二下极板、第三下极板和第四下极板组成，以2×2方式排列成一个大正方形；

所述四根窄梁即第一窄梁、第二窄梁、第三窄梁和第四窄梁的一端分别垂直连接在正方形上极板的四条边的侧面的中部，另一端分别连接在外围方形环框架的四个侧面上，上极板和四根窄梁及方形环框架的顶面处同一平面；所述上极板通过四根窄梁和方形环框架的支撑悬置在整个下极板组的正上方。

所述衬底为玻璃，下极板组材料为金属Au。

所述的上极板、四根窄梁和方形环框架材料均为掺杂单晶硅。

测试中，当四块下极板间进行不同组合，与上极板之间施加电压时，四根窄梁可呈现左右扭转、上下振动或纵向拉伸的不同状态，从而实现MEMS梁的振动疲劳强度和扭转疲劳强度的测试。该发明结构简单，测试方便，易于加工且功能强。

有益效果：该发明结构利用四块分立式下电极间的各种组合，可分别实现静电驱动下MEMS窄梁的振动、扭转和拉伸三种功能。且结构简单、操作方便，并能同时完成四根梁的测试，具有很好的应用价值。

附图说明

图1为本发明的结构示意图，

图2除去玻璃衬底的结构示意图，

图3玻璃衬底顶面示意图。

图中有：衬底1，第一下极板201、第二下极板202、第三下极板203、第四下极板204，上极板3，第一窄梁401、第二窄梁402、第三窄梁403、第四窄梁404，方形环框架5。

具体实施方式

一种用于测试MEMS振动疲劳或扭转疲劳的四梁测试结构，包括衬底、沉积于衬底上表面的四块正方形下板板、水平悬置在衬底上方的一块大正方形上极板、连接于上极板的四根窄梁、连接在衬底上的四个锚区；所述四块正方形下极板相互独立，表面均涂有介质薄层，以2×2排列方式构成一个大正方形；所述四根窄梁的一端分别垂直连接在正方形上极板四条边的侧面的中部，另一端分别连接在外围方形环框架的四个侧面，上极板和四根窄梁及方形环框架的顶面处同一平面；所述上极板通过四根窄梁和方形环框架的支撑悬置在整个下极板的正上方。

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

结合图1、图2和图3所示，一种用于测试MEMS振动疲劳或扭转疲劳的四梁测试结构：包括衬底1、沉积于衬底1上表面的下极板组、水平悬置在衬底1上方的一块大正方形上极板3、连接于上极板3的四根窄梁、连接在衬底1上的一个方形环框架5；

下极板组由相互独立的四块正方形第一下极板201、第二下极板202、第三下极板203、第四下极板204组成，表面均涂有介质薄层，以2×2方式排列成一个大正方形；

四根窄梁即第一窄梁401、第二窄梁402、第三窄梁403、第四窄梁404分别垂直连接在正方形上极板3四条边侧面的中部，另一端分别连接在外围方形环框架5的四个侧面，上极板3和四根窄梁及方形环框架5的顶面处同一平面；

上极板3通过四根窄梁和方形环框架5的支撑，悬置在下极板组的正上方。

当四块下极板间进行不同组合，与上极板之间施加电压时，四根窄梁可呈现左右扭转、上下振动或纵向拉伸的不同状态，从而实现MEMS梁的振动疲劳强度和扭转疲劳强度的测试。

该测量结构的制备可采用常规的MEMS体加工工艺，利用玻璃衬底和硅片制作而成。在玻璃衬底上淀积金属Au作为下电极，然后选择一块掺杂的单晶硅片，通过减薄、背面腐蚀形成一腔体，然后利用掩模刻蚀使腔体顶面形成所设计的平面图形；最后将形成三维结构的硅片键合在玻璃衬底上即可。减薄厚度根据上、下极板的间距要求设定，一般为几十微米，以满足大量程弯曲、拉伸作用。

MEMS窄梁扭转疲劳或振动疲劳的具体步骤如下：

疲劳强度是指被测材料在无限多次交变载荷作用下而不破坏的最大应力，也称为疲劳极限。因此，这里窄梁扭转或振动疲劳的测试，首先对窄梁施加一定时间的周期性载荷，然后再进行拉伸强度的测试。

1.周期性的扭转载荷

对第一窄梁401和第三窄梁403施加扭转作用：

1-1)将第一下极板201与第三下极板203电学连接，第二下极板202与第四下极板204电学连接；

1-2)在第一下极板201(或第三下极板203)和上极板3之间，以及第二下极板202(或第四下极板204)和上极板3之间，交替施加电压；

1-3)在静电力的作用下，上极板3关于纵向中轴线的两边一上一下交替摆动，第一窄梁401和第三窄梁403随之来回扭转；

对第二窄梁402和第四窄梁404施加扭转作用：

与第一窄梁401和第三窄梁403的扭转原理和方法相同

1-4)将第一下极板201与第四下极板204电学连接，第二下极板202与第三下极板203电学连接；

1-5)在第一下极板201(或第四下极板204)和上极板3之间，以及第二下极板202(或第三下极板203)和上极板3之间，交替施加电压；

1-6)在静电力的作用下，关于横向中轴线的两边一上一下交替摆动，第二窄梁402和第四窄梁404随之来回扭转；

经过以上一定周期的循环，第一窄梁401、第三窄梁403和第二窄梁窄梁402、第四窄梁404会因反复扭转而发生疲劳，窄梁拉伸强度下降，这时转为下述第三部分拉伸强度的测试，得到扭转疲劳强度。

2.周期性的振动载荷：

对第一窄梁401、第二窄梁402、第三窄梁403、第四窄梁404同时施加振动作用：

2-1)将四块下极板即第一下极板201、第二下极板202、第三下极板203、第四下极板204相互电学连接；

2-2)在下极板组和上极板3之间施加交变电压；

2-3)在静电力的作用下，上极板3将随交变电压的变化而上下振动；

经过一定的振动次数后，窄梁第一窄梁401、第二窄梁402、第三窄梁403、第四窄梁404因反复振动而疲劳，强度下降，这时转为下述第三部分拉伸强度的测试，得到振动疲劳强度。

3.拉伸强度的测试：

3-1)将四块下极板即第一下极板201、第二下极板202、第三下极板203、第四下极板204相互电学接接；

3-2)在下极板与上极板3之间施加电压，静电力作用使上极板3整体向下方移动，使与之相连的四根窄梁即第一窄梁401、第二窄梁402、第三窄梁403、第四窄梁404受到拉伸作用；

3-3)逐渐增加电压直至其中一根或一根以上窄梁发生断裂，记录此时的电压值V；

若有两根以上梁未发生断裂，可以继续加大下拉电压，重复步骤3-2)和3-3)，直至更多梁发生断裂，窄梁断裂对应的下拉电压值可以取上述几个电压值的平均值。通过拉断裂时的电压值，经计算可得到窄梁在周期性循环载荷作用后的断裂强度。

以上步骤1和步骤3的结合，可测量扭转疲劳的断裂强度；步骤2和步骤3的结合，可测量振动疲劳的断裂强度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种用于测试MEMS振动疲劳或扭转疲劳的四梁测试结构，其特征在于：包括衬底(1)、沉积于衬底(1)上表面的下极板组、水平悬置在衬底(1)上方的一块大正方形上极板(3)、连接于上极板(3)的四根窄梁、连接在衬底(1)上的一个方形环框架(5)；

所述下极板组由相互独立的、四块大小相同的正方形第一下极板(201)、第二下极板(202)、第三下极板(203)和第四下极板(204)组成，以2×2方式排列成一个大正方形；

所述四根窄梁即第一窄梁(401)、第二窄梁(402)、第三窄梁(403)和第四窄梁(404)的一端分别垂直连接在正方形上极板(3)的四条边的侧面的中部，另一端分别连接在外围方形环框架(5)的四个侧面上，上极板(3)和四根窄梁及方形环框架(5)的顶面处同一平面；所述上极板(3)通过四根窄梁和方形环框架(5)的支撑悬置在整个下极板组(2)的正上方；

所述衬底(1)为玻璃，下极板组材料为金属Au；

所述的上极板(3)、四根窄梁和方形环框架(5)材料均为掺杂单晶硅。