CN2849704Y - 基于静电力驱动的微结构谐振单向弯曲疲劳试验装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于静电力驱动的微结构谐振单向弯曲疲劳试验装置，该装置的固定梳齿的侧壁与连接交流电的电极相连；所述的悬置梳齿通过连接粱及固定于基底的固定块与接地电极相连；所述的固定梳齿与悬置梳齿为交错对应设置；连接梁的一端为与其成为一体的悬置梳齿的连接臂的中点；其另一端为与其成为一体并通过锚定层固定于基底的侧臂；连接梁为疲劳试样。由于本实用新型的悬置梳齿的转动中心位于其悬臂的中心附件，而且整个梳齿宽度设置得较宽，这样在振动过程中悬置梳齿和固定梳齿之间基本不存在相对转动，悬置梳齿基本是直上直下的直线运动，避免了两者之间由于相对转动而造成的干涉，从而相能产生更大振动幅度。便于研究微梁在较大范围内受力载荷下的疲劳特性。
Description
技术领域
本实用新型用于MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)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。MEMS技术的目标是通过系统的微型化、集成化来探索具有新原理、新功能的元件和系统。MEMS技术是一种典型的多学科交叉的前沿性研究领域，几乎涉及到自然及工程科学的所有领域，如电子技术、机械技术、物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等。
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。
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。单向弯曲是微机械构件常见的一种工作载荷，有必要设计一种用于微构件疲劳特性研究的弯曲疲劳试验装置，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
本实用新型的目的在于通过提供基于静电力驱动的微结构谐振单向弯曲疲劳试验装置，以便用于MEMS硅微构件弯曲疲劳特性的研究。该装置可由MEMS两层多晶硅表面牺牲层标准工艺加工出来。
本实用新型所采用技术方案的思路是：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曲，当该静电力的频率与结构的固有频率一致时，悬置的微结构将发生共振，使得联接于悬置结构的微试样受到周期性的单向弯曲载荷，以达到弯曲疲劳试验的效果；由显微镜观测悬置结构的振动幅度，根据该振动幅度可求得试样所受的应力水平；试样与其它结构连在一起，与免去了试样夹持与对中的麻烦；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；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。
本实用新型是采用以下技术手段实现的：
一种基于静电力驱动的微结构谐振单向弯曲疲劳试验装置，包括有电极、和与电极相连接的固定梳齿和悬置梳齿；所述的固定梳齿的侧壁与连接交流电的电极相连；所述的悬置梳齿通过连接粱及固定于基底的侧臂固定块与接地电极相连；所述的固定梳齿与悬置梳齿为交错对应设置；
上述连接粱的一端为与其成为一体的悬置梳齿4的连接臂的中点；其另一端为与其成为一体的侧臂固定块；连接粱为疲劳试样。
前述的连接粱的根部设有缺口。
前述的悬置梳齿的底部设有数个凸起部。
前述的电极表面均覆盖一层金属层，在金属层下层为多晶硅结构层，所述的电极由最下面的固定层固定在硅片基底上。
前述的终端控制装置为计算机。
前述的终端控制装置为单片机微处理器。
本实用新型与现有技术相比，具有明显的优势和有益效果：
由于本实用新型的悬置梳齿的转动中心位于其悬臂的中心附件，而且整个梳齿宽度设置得较宽，这样在振动过程中悬置梳齿和固定梳齿之间基本不存在相对转动，悬置梳齿基本是直上直下的直线运动，避免了两者之间由于相对转动而造成的干涉，从而相应能产生更大振动幅度。
另外，由于结构更加简单，两电路的连接线之间不存在交叉部分，因此结构中不需要使用底电极来“搭桥”，减少了一层结构，降低了制造成本。
同时还可以通过改变试样的长宽可以使装置的固有频率和试样缺口的根部应力发生变化，便于研究微梁在较大范围内受力载荷下的疲劳特性。
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。试验中，试样处于单向弯曲受力环境中，与MEMS典型结构所处的受力环境类似。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。
附图说明
图1微结构单向弯曲疲劳试验装置的正面全局图；
图2微结构单向弯曲疲劳试验装置的局部放大图；
图3微结构单向弯曲疲劳试验装置电极的结构剖视图；
图4试验装配示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的具体实施例加以说明：
根据该技术方案思路所设计的微结构单向弯曲疲劳试验装置的结构示意图参见图1、图2、图3。图1为正面全局图，图2为微结构单向弯曲疲劳试验装置局部放大图，图3为电极结构剖视图，其最大特征尺寸为300μm左右。其中1、2为电极，各电极上均覆盖一层金属叫金属层9，目的是为了增强导电性，金属层下面为多晶硅结构层10，整个电极由最下面的锚定层11固定在硅片基底上。3、4为一对梳齿，分别通过侧臂8、7与电极1、2相连。梳齿3由侧臂8的锚定层固定在基底上，梳齿4悬置在空中，通过连接梁5及固定于基底的侧臂固定块7与电极2相连，悬置梳齿4在静电力的驱动下可以上下活动。连接梁5就是试验所用分析的疲劳试样，梳齿4的振动将对试样产生交变弯曲载荷，达到弯曲疲劳试验的效果。疲劳试样即连接梁5的根部引入缺口6，目的是为了造成应力集中，加大试样所受的应力水平。悬置梳齿4的反面设计有一些小凸起，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。
本实用新型所述的微结构单向弯曲疲劳试验装置其工作原理是：电极1接一定频率的交流电，电极2接地。这样在梳齿3、4之间将产生交变静电力，当该静电力的频率与结构的平面固有频率相当时，悬置部分将发生共振，从而带动试样即连接粱5产生周期性的弯曲载荷，造成试样的疲劳损伤直至断裂。梳齿4的振动幅度可由显微镜进行观测，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。
本实用新型利用上述微结构双侧弯曲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，主要由终端控制装置200、信号发生器500、功率放大器400、试验装置110构成。微结构双侧弯曲疲劳试验装置放于操作台上，其电路连接由操作台上探针120提供，疲劳试样上方放有显微镜140，在显微镜140上设有CCD摄像机150用于用于观测悬置梁7、8的摆动幅度及试验的进行情况。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放大后由探针120接入微结构双侧弯曲疲劳试验装置的交流电极1，电极2通过探针接地。
本实用新型微结构单向弯曲疲劳试验装置的结构、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，试样与其它结构连在一起，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。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型而并非限制本实用新型所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本实用新型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，仍然可以对本实用新型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，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
Claims (6)
1、一种基于静电力驱动的微结构谐振单向弯曲疲劳试验装置，包括有电极、和与电极相连接的固定梳齿和悬置梳齿；其特征在于：
所述的固定梳齿(3)的侧壁(8)与连接交流电的电极(1)相连；所述的悬置梳齿(4)通过连接粱(5)及固定于基底的固定块(7)与接地电极(2)相连；所述的固定梳齿(3)与悬置梳齿(4)为交错对应设置；
上述连接粱(5)的一端为与其成为一体的悬置梳齿(4)的连接臂的中点；其另一端为与其成为一体的侧臂(7)；连接粱(5)为疲劳试样。
2、根据权利要求1所述的基于静电力驱动的微结构谐振单向弯曲疲劳试验装置，其特征在于：所述的连接粱(5)的根部设有缺口。
3、根据权利要求1所述的基于静电力驱动的微结构谐振单向弯曲疲劳试验装置，其特征在于：所述的悬置梳齿(4)的底部设有数个凸起部。
4、根据权利要求1所述的基于静电力驱动的微结构谐振单向弯曲疲劳试验装置，其特征在于：所述的电极层表面均覆盖一层金属层，在金属层下层为多晶硅结构层，所述的电极由最下面的固定层固定在硅片基底上。
5、根据权利要求1所述的基于静电力驱动的微结构谐振单向弯曲疲劳试验装置，其特征在于：所述的终端控制装置为计算机。
6、根据权利要求1所述的基于静电力驱动的微结构谐振单向弯曲疲劳试验装置，其特征在于：所述的终端控制装置为单片机微处理器。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108982206A (zh) * | 2018-08-27 | 2018-12-11 | 北京工业大学 | 一种应变控制的拉-扭热机械疲劳试验方法 |
| CN111366451A (zh) * | 2018-12-26 | 2020-07-03 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 一种动态机械加载纳米材料的原位表征装置及方法 |
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