CN1945270A - 平行板电容驱动的mems弯曲扭转疲劳实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种平行板电容驱动的MEMS弯曲扭转疲劳实验装置，属于微纳米尺度材料特性基础研究领域。该装置通过两个平行板电容驱动器(3、12)分别实现对疲劳试样(5)的弯曲和扭转驱动。疲劳试样(5)一端与接地电极(4)连接，另一端与第三平行板电容驱动器(12)的上极板连接。试样(5)中部的与其垂直的横梁的一端与第一平行板电容驱动器(3)的上极板相连，另一端与平行板电容传感器的上极板相连，平行板电容传感器的下极板通过检测电极接外部振幅检测电路从而实时的获得试样的振动幅度。本发明采用两个平行板电容驱动器分别对试样进行弯曲和扭转驱动，并且互不影响，克服了现有装置只能模拟MEMS构件单相应力工作环境的不足。

Description

平行板电容驱动的MEMS弯曲扭转疲劳实验装置

技术领域

本发明涉及一种平行板电容驱动的MEMS弯曲扭转疲劳实验装置，用于多轴应力环境下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

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。

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。在测量与检测技术中，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。

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结构简单的单相应力工作环境，由于横向驱动的约束性，无法模拟MEMS结构同时受到弯曲和扭转作用的真实应力环境。

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弯曲扭转多轴疲劳失效特性。

发明内容

本发明的根本目的是：通过合理的设置平行板电容驱动器，并利用其可以产生垂直驱动的特性，对疲劳试样同时施加弯曲和扭转应力，从而使其处在典型的多轴应力环境下。同时通过平行板电容传感器的使用，来获得试样的振动幅度数据。

平行板电容驱动的MEMS弯曲扭转疲劳实验装置，主要包括有第一驱动电极1、第二驱动电极10、接地电极4、检测电极8、实验试样5、由第一底电极2和第一上级板34组成的第一平行板电容3、第二底电极7和第二上级板35组成的第二平行板电容6、第三底电极9和第三上级板33组成的第三平行板电容12。其中，实验试样5为一端固定于接地电极4的悬臂梁，另一端与第三平行板电容12的第三上极板33连接，试样5的中部设有与其垂直的横梁，横梁的一端与第一平行板电容3的第一上极板34相连，横梁的另一端与第二平行板电容6的第二上级板35相连。第一上级板34、第二上级板35、第三上级板33、实验试样5及其横梁连为一体且在接地电极4的固定层的支撑下悬空。第一底电极2通过第一驱动电极1通交流电，第三底电极9通过驱动电极接交流电。第二底电极7通过第二检测电极8接外部振幅检测电路来获得实验过程中实验试样5得振动幅度，第一上级板34、第二上级板35、第三上级板33、实验试样5通过接地电极4接地。

所述的实验试样5的上平面开有三角形的缺口来使疲劳现象易于观察。

所述的接地电极4从上到下依次为金属层24、多晶硅结构层25、固定层26。

通过在悬置平板下面设有凸起，防止悬置部分与基底黏附。三个平行板电容的下极板为固定的底电极。

本发明利用平行板电容驱动器可以进行垂直驱动的特性使实验试样同时受到弯曲和扭转应力的作用，克服了静电梳状驱动方式只能够实现横向驱动的不足。本发明通过第一平行板电容3和第三平行板电容12来实现对疲劳试样的的弯曲和扭转驱动，使其处在弯曲和扭转应力环境下。当通过第一驱动电极1、第二驱动电极10分别对第一底电极2、第三底电极9施加交流电时，第一平行板电容3、第三平行板电容12的上级板会受到垂直方向的静电力的作用，当该电信号频率达到平行板电容的固有频率后，平行板电容将达到共振。在第一上级板34、第三上级板33的带动下实验试样5同时受到了交变的弯曲和扭转应力，这样疲劳试样就处在典型的多轴应力环境下。实验过程中，第一上级板34、第三上级板33的振动带动第二上级板35和第二底电极7之间电容的变化，第二底电极7通过检测电极8接外部振幅检测电路从而实时的获得试样的振动幅度。同时在试样上方设置高倍光学显微镜和CCD摄相机来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，最后用有限元方法求得试样所受的应力水平。为了提高试样所受应力水平，缩短实验时间，在试样中间上平面开了三角型的缺口，同时在实验过程中应用了该装置的共振特性。

本发明的有益效果：

1、本发明采用平行板电容结构，实现了垂直静电驱动，克服了传统梳状静电驱动器只能实现横向驱动的不足。

2、本发明采用两个平行板电容驱动器分别对试样进行弯曲和扭转驱动，并且互不影响，客服了现有装置只能模拟MEMS构件单相应力工作环境的不足。

3、该装置针对平行板电容驱动器的垂直驱动特性，将悬臂梁试样的缺口开在其上表面，而非侧面。

4、平行板电容静电驱动器，可以产生较大的静电力，达到能够进行疲劳实验的要求。

5、实验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。

6、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构件的多轴应力环境等特点，因此对处于微尺度的MEMS构件的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弯曲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弯曲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弯曲扭转疲劳特性实验装置剖视图

图4该装置的实验装配图

图中：1、第一驱动电极，2、第一底电极3、第一平行板电容，4、接地电极，5、实验试样，6、第二平行板电容，7、第二底电极，8、检测电极，9、第三底电极，10、第二驱动电极，11、凸起，12、第三平行板电容，21、第一驱动电极的金属层，22、第一驱动电极的结构层，23、第一驱动电极的固定层，24、接地电极的金属层，25、接地电极的结构层，26、接地电极的固定层，27，检测电极的固定层，28、检测电极的结构层，29、检测电极的金属层，30，第二驱动电极的固定层，31、第二驱动电极的结构层，32、第二驱动电极的金属层，33、第三上级板，34、第一上级板，35、第二上级板，42、由5、25、33、34、35构成的该装置的主要结构层，43、试样试样的缺口。

具体实施方式

下面结合图1～4详细说明本实施例。

图1中的第一平行板电容3、第二平行板电容6、第三平行板电容12均由悬置平板和底电级组成。悬置平板34、35、33分别为电容3、6、12的上极板，底电极2、7、9分别为电容3、6、12的下极板。实验过程中悬置平板34、35、33通过接地电极4接地。底电极2、9分别通过第一驱动电极1和第二驱动电极10接交流电。这样在底电极2、9和悬置平板34、33之间就产生了变化的电场，使悬置平板34，33受到垂直方向的交变静电力，当该静电力的频率与悬置平板的固有频率相当时将发生共振。试样5在悬置平板34，33的带动下，受到弯曲应力和扭转应力的同时作用。

如图2、图3所示，接地电极4的最上层为金属层24，在金属层的下面为多晶硅结构层25，在多晶硅结构层的下面为固定层26。42为该实验装置的主要多晶硅结构层，实验试样5及其横梁、悬置平板即第一上级板34、第二上级板35、第三上级板33、接地电极的结构层25均位于该层并且连为一体。该多晶硅结构层在接地电极4的固定层25的支撑下悬空。悬置平板33、34、35和疲劳实验试样5均悬置。11为凸起层，防止悬置部分与基底黏附。

检测电极8接直流电，第一上级板34、第三上级板33的振动带动第二上级板板35和第二底电极7之间电容的变化。这种变化通过振幅检测电路测出，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平板的振动幅度进而推出悬臂梁试样的扭转角度，该测量结果可设置在实验试样5上方的显微镜的观测结果进行对比，检验其正确性。

如图4所示，本实施例为利用上述平行板电容驱动MEMS弯曲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，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，平行板电容驱动MEMS弯曲扭转疲劳特性研究装置65的结构如图1～图3所示。

本实施例主要由平行板电容驱动MEMS弯曲扭转疲劳特性研究装置操作台70，终端控制装置61，与终端控制装置连接的两个信号发生器62和73，和将信号发生器的信号进行放大的功率放大器63和71，以及与终端控制装置输入端相连的振幅测量电路72组成。

其中，平行板电容驱动MEMS弯曲扭转疲劳特性研究装置操作台70，包括平行板电容驱动MEMS弯曲扭转疲劳特性研究装置65和与其相连接的两个驱动探针66、44和检测探针67，以及显微镜68和设在该显微镜上的CCD摄像机69。在操作台70上，其电路连接由操作台上的驱动探针66、44和检测探针67提供。实验试样5上方放有显微镜68，显微镜上方装有CCD摄像机69，用于观测悬置平板的振幅及试验的进行情况。信号发生器62和73产生的具有固定频率的正弦信号分别通过功率放大器63和71放大后由驱动探针64和66接入平行板电容驱动MEMS弯曲扭转疲劳特性研究装置65中的第一驱动电极1和第二驱动电极10，接地电极4通过探针接地，检测电极8通过探针67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MEMS弯曲扭转疲劳实验装置，其特征在于：主要包括有第一驱动电极(1)、第二驱动电极(10)、接地电极(4)、检测电极(8)、实验试样(5)、由第一底电极(2)和第一上级板(34)组成的第一平行板电容(3)、第二底电极(7)和第二上级板(35)组成的第二平行板电容(6)、第三底电极(9)和第三上级板(33)组成的第三平行板电容(12)；其中，实验试样(5)为一端固定于接地电极(4)的悬臂梁，另一端与第三平行板电容(12)的第三上极板(33)连接，试样(5)的中部设有与其垂直的横梁，横梁的一端与第一平行板电容(3)的第一上极板(34)相连，横梁的另一端与第二平行板电容(6)的第二上级板(35)相连；第一上级板(34)、第二上级板(35)、第三上级板(33)、实验试样(5)及其横梁连为一体且在接地电极(4)的固定层的支撑下悬空，该整体通过接地电极(4)接地；第一底电极(2)通过第一驱动电极(1)通交流电，第三底电极(9)通过驱动电极接交流电；第二底电极(7)通过第二检测电极(8)接外部振幅检测电路来获得实验过程中实验试样(5)得振动幅度，第一上级板(34)、第二上级板(35)、第三上级板(33)、实验试样(5)通过接地电极(4)接地。

2、根据权利要求1所述的平行板电容驱动的MEMS弯曲扭转疲劳实验装置，其特征在于：实验试样(5)的上平面开有三角形的缺口。

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