CN1948943A - Mems拉伸扭转疲劳特性实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种MEMS拉伸扭转疲劳特性实验装置，属于微纳米尺度材料特性基础研究领域。该装置主要组成部分有：平行板电容驱动器，平行板电容传感器，梳状电容驱动器，梳状电容传感器，接地电极，拉伸驱动电极，扭转驱动电极，拉伸检测电极，扭转检测电极。实验过程中，通过拉伸驱动电极和扭转驱动电极分别为平行板电容驱动器和梳状电容驱动器提供交流电信号，使疲劳试样同时受到交变的拉伸和扭转应力。平行板电容传感器和梳状电容传感器分别通过拉伸检测电极和扭转检测电极接直流电，可以检测疲劳试样的拉伸和扭转幅度。该微疲劳试验结构装置具有加工容易，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。

Description

MEMS拉伸扭转疲劳特性实验装置

技术领域

本发明涉及一种MEMS拉伸扭转疲劳特性实验装置，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

研究发现，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。

在当前MEMS所能达到的尺度下，由于尺寸缩小带来的影响(ScalingEffects)，许多物理现象与宏观世界有很大区别，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。这一方面的研究虽然受到重视，但难度较大。

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拉伸和扭转同时作用的多轴应力状况下，有必要设计一种用于微构件疲劳特性研究的拉伸扭转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

本发明的根本目的是：综合静电梳状驱动器的横向驱动和平行板电容驱动器垂直驱动的特点设计一种集成了静电梳状驱动器和平行板电容驱动器的MEMS拉伸扭转多轴疲劳特性实验装置。同时利用平行板电容传感器和梳状电容传感器原理，通过检测实验过程中电容的变化，来获得试样拉伸和扭转的幅度。

本发明的基本思路如下：

该装置通过平行板电容和梳齿电容的合理组合，使平行板电容的垂直拉伸驱动和梳状电容的扭转驱动在同一个装置内同时进行而互不影响。达到了使疲劳试样同时处于拉伸和扭转应力作用下的目的。该装置主要组成部分有：平行板电容驱动器，平行板电容传感器，梳状电容驱动器，梳状电容传感器，接地电极，拉伸驱动电极，扭转驱动电极，拉伸检测电极，扭转检测电极。试验试验11由上下两个半径不同的圆柱体组成，两个圆柱体沿轴向连接，在两个圆柱体相接处的台阶71相当于传统疲劳试样缺口的作用，其下端面面固定，上端面与驱动器和传感器相连为一体。实验过程中，通过拉伸驱动电极和扭转驱动电极分别为平行板电容驱动器和梳状电容驱动器提供交流电信号，使试样同时受到拉伸和扭转应力。平行板电容传感器和梳状电容传感器分别通过拉伸检测电极和扭转检测电极接直流电，可以检测试样的拉伸和扭转幅度。

具体所采用的技术方案如下。疲劳试样11位于圆心处，疲劳试样11的上端面支撑有四个沿圆周方向分布的扇形悬置平板，即第一悬置平板40、第二悬置平板44、第三悬置平板42、第四悬置平板301，四个悬置平板与疲劳试样11为一个整体并通过疲劳试样11下面的底电极与接地电极1相连而接地；其中的三个悬置平板40、44、42的下面都设置有与之对应的底电极41、45、43构成三个平行板电容器4、13、8，第一平行板电容器4、第二平行板电容器13的底电极41、45通过拉伸驱动电极14接交流电，构成一对平行板电容驱动器，使疲劳试验11受到拉伸应力；第三平行板电容8的底电极43通过拉伸检测电极9与振幅检测电路相连构成平行板电容传感器，用于检测疲劳试样11拉伸的幅度；在第三悬置平板42、第四悬置平板301的沿半径方向的两个侧面分别设置有悬置梳齿304、306、302、308，四个悬置梳齿分别与四个固定梳齿400、404、402、406配合构成四个梳状电容5、9、2、15，其中，第一固定梳齿404、第二固定梳齿402通过扭转驱动电极10接交流电，使得第一梳状电容2、第二梳状电容9构成一对梳状电容驱动器，使疲劳试验11受到扭转应力；第三梳状电容5、第四梳状电容15构成一对梳状电容传感器，通过与第三固定梳齿400、第四固定梳齿406相连的扭转检测电极6接振幅检测电路，用于检测疲劳试验11的扭转程度。

试验试验11由上下两个半径不同的圆柱体组成，两个圆柱体沿轴向连接，在两个圆柱体相接处的台阶71相当于传统疲劳试样缺口的作用。圆柱形疲劳试样为竖直放置，其所受拉伸应力也为沿试样轴向的竖直方向，疲劳试样11的台阶处存在应力集中，该台阶起到传统疲劳实验中试样缺口的作用，使疲劳现象易于观察。

在试验时，平行板电容的上极板和梳状电容的悬置梳齿均通过底电极接地，通过对平行板电容驱动器的底电极施加交流电，使其上极板(悬置扇形平板)受到垂直方向的静电力；同时对梳状驱动器的固定梳齿部分也施加频率相同的交流电，使得悬置梳齿和与其相连的扇形悬置平板受到到周向的驱动力。当该电信号频率达到平板的固有频率后，平板将发生共振，在平板的带动下与平板相连的疲劳试样就同时受到了拉伸和扭转应力的作用而处于典型的拉伸扭转多轴应力环境下。同时也利用平行板电容传感器和梳状电容传感器原理，通过检测实验过程中电容的变化，来获得试样拉伸和扭转的幅度。

本发明与现有技术相比具有明显的优势和有益效果：

1、本发明综合利用了静电梳状驱动器横向驱动和平行板电容驱动器垂直驱动的特点。通过两者合理的结合使疲劳试样处在拉伸和扭转同时作用的多轴应力状态下。客服了现有装置仅能构单独使用垂直驱动或横向驱动的不足。

2、本发明分别利用平行板电容传感器和梳状电容传感器原理，通过检测实验过程中电容的变化，来获得试样拉伸和扭转的幅度。

3、该装置中平行板电容传感器和梳状静电传感器配合工作而互不影响。

4、为了使疲劳现象易于观察，又考虑到加工工艺方面的要求，使疲劳试样11由两个沿轴向相接的圆柱体组成，两个圆柱体之间的台阶相当于传统疲劳试样中缺口的作用。

5、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1MEMS拉伸扭转疲劳特性实验装置正面全局图

其中：1、接地电极，2、第一梳状电容，3、扭转检测环臂，4、第一平行板电容，5、第三梳状电容，6、扭转检测电极，7、拉伸检测电极，8、第三平行板电容，9、第二梳状电容，10、扭转驱动电极，11、疲劳试样，12、拉伸驱动环臂，13、第二平行板电容，14、拉伸驱动电极，15、第四梳状电容，16、扭转驱动环臂；

图2MEMS拉伸扭转疲劳特性实验装置立体结构图

其中：25、接地电极的金属层，26、接地电极的结构层，27、接地电极的固定层，20、接地电极的底电极层，21、扭转检测电极的金属层，22、扭转检测电极的结构层，23、扭转检测电极的固定层，24、扭转检测电极的底电极层，28、拉伸驱动电极的金属层，29、拉伸驱动电极的结构层，30、拉伸驱动电极的固定层，31、拉伸驱动电极的底电极层，32、扭转驱动电极的金属层，33、扭转驱动电极的结构层，34、扭转驱动电极的固定层，35、扭转驱动电极的底电极层，36、拉伸检测电极的金属层，37、拉伸检测电极的结构层，38、拉伸检测电极的固定层，39、拉伸检测电极的底电极层，40、第一悬置平板，41、第一平行板电容器的底电极，42、第三悬置平板，43、第三平行板电容器的底电极，44、第二悬置平板，45、第二平行板电容器的底电极；

图3MEMS拉伸扭转疲劳特性实验装置悬置平板立体结构图

其中：301、第四悬置平板，302、第二悬置梳齿，304、第三悬置梳齿，304、第一悬置梳齿，308、第四悬置梳齿；

图4MEMS拉伸扭转疲劳特性实验装置试样部分立体结构图

其中：400、第三固定梳齿，402、第二固定梳齿，404、第一固定梳齿，406、第四固定梳齿；

图5MEMS拉伸扭转疲劳特性实验装置电极剖视图

图6MEMS拉伸扭转疲劳特性实验装置疲劳试样结构图

其中：70、实验试样下面的固定层，71、台阶；

图7MEMS拉伸扭转疲劳特性实验装置试验装配示意图

具体实施方式

下面结合附图1～5对本发明的具体实施例加以说明：

本实施例的主要功能由梳齿电容和平行板电容来实现。根据在实验过程中发挥作用的不同，这两种电容又被分成了驱动器和传感器。其中驱动器包括：梳状电容驱动器如图1中的2、9和平行板电容驱动器如图1中的4、13。传感器包括：梳状电容传感器如图1中的5、15和平行板电容传感器如图1中8。

每个梳状电容驱动器和传感器都由两组交互的梳齿组成。其中一组梳齿固定，与之对应的一组梳齿悬置。如图1中的梳状电容驱动器2、9和梳状电容传感器5、15的固定梳齿部分为图4中的402、404和400、406。悬置梳齿部分为图3中的302、306和304、308。

每个平行板电容驱动器和传感器都由上下两个极板组成。下极板(底电极)固定，上级板(悬置平板)位于下极板的正上方，并在试验试验11的上端面的支撑下悬空，如图1中的平行板电容驱动器4、13和平行板电容传感器8，其中图2中的40、44、42分别为其上极板(悬置平板)，41、45、43为固定在基底上的下极板(底电极)。

该实验的疲劳试样11由两个沿轴向相接的圆柱体组成，两个圆柱体之间的台阶相当于传统疲劳试样中缺口的作用，如图6所示。其上端面与整个装置的悬置部分(如图3)连为一体。下端面的下面设置有固定层70和底电极20，并通过底电极20与接地电极1相连。整个装置的悬置部分和疲劳试样11在试验试样11的下端面的固定层70的支撑下悬空。

试验过程中，拉伸驱动电极14通过探针接交流电信号。交流电信号通过拉伸驱动环臂12传递到平行板电容驱动器4、13的下极板41、45。此时已接地的平行板电容驱动器的上极板40、41就受到垂直方向的交变静电力，当该交流电信号的频率接近悬置平板的固有频率时，该平板就会发生共振。在平板的带动下，支撑该平板的疲劳试样就受到了交变的拉伸应力。

扭转驱动电极10通过探针接交流电信号。交流电信号通过扭转驱动环臂16和固定横梁403、405传递到梳状电容驱动器2、9的固定梳齿部分402、404。此时已接地的梳状电容驱动器2、9的悬置梳齿部分302、306就受到了周向的交变静电力，当该交流电信号的频率接近梳状电容驱动器悬置部分(悬置梳齿和与其相连的悬置平板)的固有频率时，悬置部分就会发生共振。在梳状驱动器的驱动下，疲劳试样11就受到了交变的扭转应力。

拉伸检测电极7通过探针接振幅检测电路。由于平行板电容传感器8的上极板42通过疲劳试样11的支撑悬置在空中，所以当疲劳试样11的长度在拉伸应力的作用下发生变化时，平行板电容传感器8的电容会因为上下极板之间距离的变化而发生变化。振幅检测电路将检测到的电容变化数据传送给计算机，计算机通过处理计算得到疲劳试样的拉伸幅度。

扭转检测电极6通过探针接振幅检测电路。由于梳状电容传感器5、15的悬置梳齿304、308和悬置平板42、301通过疲劳试样11的支撑悬置在空中，所以当疲劳试样受到扭转应力的作用时，会带动梳状电容传感器的悬置梳齿发生转动。这样梳状电容传感器的电容就会发生变化，振幅检测电路将检测到的电容变化数据传送给计算机，计算机通过处理计算得到疲劳试样的扭转幅度。

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求，通过标准MEMS工艺加工而成，从上到下由金属层，多晶硅结构层，固定层和底电极层组成。装置的悬置部分40、42、44、301、302、304、306、308和疲劳试样11均位于多晶硅结构层。五个电极的层结构相同，以拉伸检测电极为例进行说明。图5为拉伸检测电极的刨视图，其中最上面的是金属层36用于增强电极的导电性，金属层下面是多晶硅结构层37，多晶硅结构层下面是固定层38，固定层下面是底电极层39。

如图7所示，利用上述MEMS拉伸扭转疲劳特性实验装置所设计的微机械多轴疲劳特性试验方案。该方案示意图参见图7，主要由MEMS拉伸扭转疲劳特性实验装置操作台60，终端控制装置61，与终端控制装置连接的信号发生器62，和将信号发生器的信号进行放大的功率放大器63，以及与终端控制装置输入端相连的振幅测量电路62组成。

MEMS拉伸扭转疲劳特性实验装置芯片放于操作台上，其电路连接由操作台上探针64提供，疲劳试样上方放有显微镜68，在显微镜68上设有CCD摄像机69用于观测试验的进行情况。信号发生器62产生的具有固定频率的正弦信号通过功率放大器63放大后由探针64接入MEMS拉伸扭转疲劳特性实验装置的电极，检测信号由探针66引出，接入振幅测量电路67，最后输入终端控制装置进行分析处理。需要说明的是终端控制装置可以是计算机也可以是单板机微处理器。

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、MEMS拉扭疲劳特性实验装置，其特征在于：疲劳试样(11)位于圆心处，疲劳试样(11)的上端面支撑有四个沿圆周方向分布的扇形悬置平板，即第一悬置平板(40)、第二悬置平板(44)、第三悬置平板(42)、第四悬置平板(301)，四个悬置平板与疲劳试样(11)为一个整体并通过疲劳试样(11)下面的底电极与接地电极(1)相连而接地；其中的三个悬置平板(40、44、42)的下面都设置有与之对应的底电极(41、45、43)构成三个平行板电容器(4、13、8)，第一平行板电容器(4)、第二平行板电容器(13)的底电极(41、45)通过拉伸驱动电极(14)接交流电，构成一对平行板电容驱动器，使疲劳试验(11)受到拉伸应力；第三平行板电容(8)的底电极(43)通过拉伸检测电极(9)与振幅检测电路相连构成平行板电容传感器，用于检测疲劳试样(11)拉伸的幅度；在第三悬置平板(42)、第四悬置平板(301)的沿半径方向的两个侧面分别设置有悬置梳齿(304、306、302、308)，四个悬置梳齿分别与四个固定梳齿(400、404、402、406)配合构成四个梳状电容(5、9、2、15)，其中，第一固定梳齿(404)、第二固定梳齿(402)通过扭转驱动电极(10)接交流电，使得第一梳状电容(2)、第二梳状电容(9)构成一对梳状电容驱动器，使疲劳试验(11)受到扭转应力；第三梳状电容(5)、第四梳状电容(15)构成一对梳状电容传感器，通过与第三固定梳齿(400)、第四固定梳齿(406)相连的扭转检测电极(6)接振幅检测电路，用于检测疲劳试验(11)的扭转程度。

2、根据权利要求1所述的MEMS拉扭疲劳特性实验装置，其特征在于：所述的试验试验(11)由上下两个半径不同的圆柱体组成，两个圆柱体沿轴向连接，在两个圆柱体相接处的台阶(71)相当于传统疲劳试样缺口的作用。

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