CN1793827A

CN1793827A - 微结构谐振单向弯拉多轴疲劳试验装置

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Publication number: CN1793827A
Application number: CNA2005101321157A
Authority: CN
Inventors: 丁雷; 尚德广; 贾冠华; 孙国芹; 李浩群
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2005-12-16
Filing date: 2005-12-16
Publication date: 2006-06-28

Abstract

本发明公开了一种微结构谐振单向弯拉多轴疲劳试验装置，其驱动电极由通过锚定层固定在硅基底上的外侧壁与驱动梳齿对连接；其检测电极由通过锚定层固定在硅基底上的外侧壁与检测梳齿对连接；上述驱动梳齿和检测梳齿夹合的悬置振动块的端部与产生交变应力的试样的一端连接；试样的另一端与接地电极相连；试样与驱动及检测装置为一体性结构；上述检测电极由探针引出，接入振幅测量电路输入端；该检测电路的输出端连接控制终端的输入端；所述的振动块为直线条的网格状。本发明的振动块由于采用了网格状，避免了释放孔的设计，而且其线条全为直线构成，降低了制版成本。同时降低了振动块质量，提高了振动固有频率，使得疲劳能够更早发生。

Description

微结构谐振单向弯拉多轴疲劳试验装置

技术领域

本发明用于MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微电子机械系统)结构材料多晶硅疲劳特性的研究，属于微纳米技术基础研究领域。

背景技术

MEMS(Micro Electromechanical System，即微电子机械系统)是指集微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统。概括起来，MEMS具有以下几个基本特点，微型化、智能化、多功能、高集成度和适于大批量生产。

在当前MEMS所能达到的尺度下，宏观世界基本的物理规律仍然起作用，但由于尺寸缩小带来的影响(Scaling Effects)，许多物理现象与宏观世界有很大区别，因此许多原来的理论基础都会发生变化，如力的尺寸效应、微结构的表面效应、微观摩擦机理等，因此有必要对微动力学、微流体力学、微热力学、微摩擦学、微光学和微结构学进行深入的研究。

MEMS的技术基础可以分为以下几个方面：1、设计与仿真技术；2、材料与加工技术；3、封装与装配技术；4、测量与检测技术；5、集成与系统技术等。

而在测量与检测技术中，在宏观状态下属于脆性材料的硅在微纳米尺度下会产生疲劳特性，对于发生这种变化的机理目前还不太明确。了解这种机理并测量硅在微米尺度下的疲劳特性参数对于MEMS可靠性设计及寿命预测有着重要的意义。

传统宏观尺度下的疲劳试验一般由专用的材料疲劳试验机进行，主要有液压、电磁等驱动方式，标准试样用卡头装夹于其中。但这种方法并不适用于MEMS疲劳特性的研究，首先，液压、电磁力的驱动方式在微米级尺寸状态下不适用，其次，微米尺寸试样的夹持与对中操作起来极其困难，甚至不可能完成。鉴于微机械构件常工作于弯拉多轴应力状况下，有必要设计一种用于微构件疲劳特性研究的弯拉多轴疲劳试验装置，而且这种装置能够由现有的MEMS加工方法加工出来。

发明内容

本发明提出了一种基于静电力驱动的微结构谐振单向弯拉多轴疲劳试验装置，用于MEMS硅微构件弯拉疲劳特性的研究。该装置可由MEMS两层多晶硅表面牺牲层标准工艺加工出来。

本发明所采用技术方案的思路是：(1)由静电力驱动，给微结构上的一对相互交错的梳齿施加交流电以产生周期性的静电力造成结构的单向弯拉，当该静电力的频率与结构的固有频率一致时，悬置的微结构振动块将发生共振，使得联接于振动块上的试样受到周期性的单向弯曲拉伸载荷，以达到弯拉疲劳试验的效果；(2)由电容传感器和显微镜测量悬置振动块的振动幅度，根据该振动幅度可求得试样所受的应力水平；(3)试样、驱动部分和检测部分集成于一体，能免去试样夹持和对中的麻烦；(4)装置的结构、各部分尺寸及试样的受力环境必须来自于典型的MEMS构件，这样其研究结果才具有实际意义；(5)装置的制备必须适合于现有的MEMS加工技术条件，不能存在难于加工或根本无法加工的结构。

本发明是采用以下技术手段实现的：

一种微结构谐振单向弯拉多轴疲劳试验装置，包括：驱动电极和检测电极；其特征在于：所述的驱动电极由通过锚定层固定在硅基底上的外侧壁与驱动梳齿对连接；所述的检测电极由通过锚定层固定在硅基底上的外侧壁与检测梳齿对连接；上述驱动梳齿和检测梳齿夹合的悬置振动块的端部与产生交变应力的试样的一端连接；试样的另一端与接地电极相连；试样与驱动及检测装置为一体性结构；所述的振动块分布着直线条的网格状通孔；

上述检测电极由探针引出，接入振幅测量电路输入端；该检测电路的输出端连接控制终端的输入端；

前述的网格状通孔为对称式和/或非对称式。

前述的网格状通孔的分布为对称式和/或非对称式。

前述的试样为根部缺口粱形状。

前述试样的前面设有释放孔。

前述的电极为的表面为一金属层，在金属层下面为多晶硅结构层，多晶硅结构层下面是锚定层，整个电极通过锚定层锚定于硅片基底上。

前述的悬置振动块底的面有设有防止释放过程中振动块与基底的黏附的数个凸起部。

前述的检测电极为电容传感器。

前述的控制终端为计算机。

前述的控制终端为单板机微处理器。

本发明与现有技术相比具有明显的优势和有益效果：

本发明的结构、各部分尺寸及试样的受力环境来自于典型的MEMS构件，适用于MEMS标准工艺加工，试样与驱动及检测装置连于一体，完全避免了微米尺寸疲劳试件在疲劳试验时的夹持与对中的操作。结构的共振特性及疲劳试样根部缺口的利用，大大提高了试样所受的应力水平，使疲劳试验能够在容许的时间范围内完成。本发明的振动块由于采用了由于采用了网格状，避免了释放孔的设计，而且其线条全为直线构成，降低了制版成本。同时降低了振动块质量，提高了振动固有频率，使得疲劳能够更早发生，同时由于该网格状通孔的可以根据驱动谐振频率和振幅的需要采用对称或非对称设计，因此可以更进一步提高其疲劳试验的精度，又由于避免了释放孔的设计，而且其线条全为直线构成，降低了制版成本。同时降低了振动块质量，提高了振动固有频率，使得疲劳能够更早发生。

附图说明

图1为微结构谐振单向弯拉多轴疲劳试验装置的正面示意图；

图2为微结构谐振单向弯拉多轴疲劳试验装置局部放大图；

图3为微结构谐振单向弯拉多轴疲劳试验装置底面局部放大图；

图4为微结构谐振单向弯拉多轴疲劳试验装置电极结构层的剖面示图；

图5为试验装配示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例加以说明：

本发明微结构谐振单向弯拉多轴疲劳试验装置的结构示意图。请参阅图1所示，为微结构谐振单向弯拉多轴疲劳试验装置的正面示意图。从图中可以看出，1、2、3为3个电极；电极1为驱动电极，电极2为检测电极，电极3为接地电极；请参阅图4所示，为微结构谐振单向弯拉多轴疲劳试验装置电极结构层的剖面示图；各电极的表面为一层金属叫做金属层4，目的是为了增强导电性，金属层下面为多晶硅结构层5，该装置的主要结构都处于该层，多晶硅结构层下面是锚定层6；整个电极通过锚定层锚定于硅片基底上。

驱动电极1通过由如图3所示的该装置底面局部放大图的锚定层62固定在硅基底上的外侧壁13与驱动梳齿8连接；检测电极2通过由锚定层63固定在砖基底上的外侧壁14与检测梳齿9连接；

上述驱动梳齿和检测梳齿夹合的悬置振动块11的端部与产生交变应力的试样12的一端连接；试样12的另一端与接地电极相连；试样12与驱动及检测装置为一体性结构；所述的振动块11分布着直线条的网格状通孔111。

图2为其主要结构部分的局部放大图，其最大特征尺寸为300μm左右，图3为背面局部放大图，7和8、9和10分别为两对梳齿，其中7和8用来驱动，9和10作为电容传感器用来检测振动块11的振动幅度。两对梳齿的外侧分别与电极1、2连接，均通过固定层固定于硅基底上，内侧梳齿与振动块11相连悬置于空中，振动块11的根部为疲劳试样12，振动过程中振动块11的摆动将对疲劳试样12产生交变载荷，以使试样产生疲劳破坏。疲劳试样12的尺寸为38μm×20μm，在试样的根部引入缺口121，目的是为了造成应力集中，加大试样12所受的应力水平。试样12的另一端与电极3相连，固定在基底上。振动块11设计成网格状通孔111是为了方便MEMS加工过程中牺牲层的去除，即使腐蚀液能充分进入牺牲层。振动块11底面有一些小凸起112，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。疲劳试样12前面的方孔122为释放孔，也是为了方便牺牲层的去除。

本发明所述微结构谐振单向弯拉多轴疲劳试验装置的工作原理是：电极1接一定频率的交流电，电极3接地。这样在梳齿7和8之间将产生交变静电力，当该静电力的频率与振动块11的平面固有频率相当时，振动块11将发生共振，从而带动试样12产生周期性的弯曲载荷，另外，振动块11振动过程中角速度的变化将造成试样12所受到的离心力发生周期性的变化，弯曲载荷和离心力的作用将使试样12产生多轴交变应力，从而造成试样12的疲劳损伤直至断裂。电极2接直流电，振动块11的振动将造成梳齿9和10之间电容的变化，通过一感测电路测出这种变化，再由计算机分析处理后便能间接测量出振动块的振动幅度，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。根据该振动幅度算出试样缺口部分所受的应力来研究微尺寸试件的疲劳特性。

由于振动块采用了网格状，避免了释放孔的设计，而且其线条全为直线构成，降低了制版成本。同时降低了振动块质量，提高了振动固有频率，使得疲劳能够更早发生，还由于该网格状通孔可以根据驱动谐振频率和振幅的需要采用对称或非对称设计，因此可以更进一步提高其疲劳试验的精度。试验中，试样处于拉伸、弯曲多轴受力环境中，与MEMS典型结构所处的受力环境类似。该微结构疲劳试验装置具有加工容易，操作简便等特点，对MEMS结构强度的研究具有很高的实用价值，达到了本发明所提出的目的和要求。

本发明的实施例为利用上述微结构谐振单向弯拉多轴疲劳试验装置所设计的微机械疲劳试验方案。该方案示意图参见图5，主要由电脑、信号发生器、功率放大器、试验操作台及振幅测量电路构成。微结构谐振单向弯拉多轴疲劳试验装置放于操作台上，其电路连接由操作台上探针提供，疲劳试样上方放有显微镜，用于观测振动块11的振幅及试验的进行情况。信号发生器产生的具有固定频率的正弦信号通过功率放大器的放大后由探针接入本试验装置的驱动电极1，电极3通过探针接地，检测电极2由探针引出，接入振幅测量电路，最后接入电脑进行分析处理。

实验结果的观测过程为：电极2接直流电，振动块11的振动将造成梳齿对9、10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，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。根据该振动幅度即可用有限元方法算出试样缺口部分121所受的应力。

本发明的实施例为利用上述微结构谐振单向弯拉多轴疲劳试验装置系统所设计的微机械疲劳特性试验方案。该方案示意图参见图5，主要由微结构谐振单向弯拉多轴疲劳试验操作台100，终端控制装置200，与终端控制装置连接的信号发生器500，和将信号发生器的信号进行放大的功率放大器400，以及与终端控制装置输入端振幅测量电路300组成。

其中，包含本发明所述结构的芯片110与驱动探针120和检测探针130相连，显微镜140和设在该显微镜上的CCD摄像机150置于试验芯片上方。

微结构谐振单向弯拉多轴疲劳试验装置放于操作台100上，其电路连接由操作台上的驱动探针120和检测探针130提供，试样12上方放有显微镜140，显微镜上方装有CCD摄像机150，用于观测振动块11的振幅及试验的进行情况。信号发生器500产生的具有固定频率的正弦信号通过功率放大器400的放大后由驱动探针120接入微结构谐振单向弯拉多轴疲劳试验装置的驱动电极1，电极3通过探针接地，检测电极2由探针130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

1、一种微结构谐振单向弯拉多轴疲劳试验装置，包括：驱动电极和检测电极；其特征在于：所述的驱动电极由通过锚定层固定在硅基底上的外侧壁与驱动梳齿对连接；所述的检测电极由通过锚定层固定在硅基底上的外侧壁与检测梳齿对连接；上述驱动梳齿和检测梳齿夹合的悬置振动块的端部与产生交变应力的试样的一端连接；试样的另一端与接地电极相连；试样与驱动及检测装置为一体性结构；所述的振动块分布着直线条的网格状通孔；

上述检测电极由探针引出，接入振幅测量电路输入端；该检测电路的输出端连接控制终端的输入端。

2、根据权利要求1所述的微结构谐振单向弯拉多轴疲劳试验装置，其特征在于：所述的网格状通孔为对称式和/或非对称式。

3、根据权利要求1所述的微结构谐振单向弯拉多轴疲劳试验装置，其特征在于：所述的网格状通孔的分布为对称式和/或非对称式。

4、根据权利要求1所述的微结构谐振单向弯拉多轴疲劳试验装置，其特征在于：所述的试样为根部缺口粱形状。

5、根据权利要求2所述的微结构谐振单向弯拉多轴疲劳试验装置，其特征在于：所述试样的前面设有释放孔。

6、根据权利要求1所述的微结构谐振单向弯拉多轴疲劳试验装置，其特征在于：所述的电极为的表面为一金属层，在金属层下面为多晶硅结构层，多晶硅结构层下面是锚定层，整个电极通过锚定层锚定于硅片基底上。

7、根据权利要求1所述的微结构谐振单向弯拉多轴疲劳试验装置，其特征在于：所述的悬置振动块底的面有设有防止释放过程中振动块与基底的黏附的数个凸起部。

8、根据权利要求1所述的微结构谐振单向弯拉多轴疲劳试验装置，其特征在于：所述的检测电极为电容传感器。

9、根据权利要求1所述的微结构谐振单向弯拉多轴疲劳试验装置，其特征在于：所述的控制终端为计算机。

10、根据权利要求1所述的微结构谐振单向弯拉多轴疲劳试验装置，其特征在于：所述的控制终端为单板机微处理器。