专利名称：基于静电力驱动的微结构谐振双侧弯曲疲劳试验装置的制作方法
技术领域：
本发明用于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：
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。高频反复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
本发明的目的在于通过提供一种基于静电力驱动的微结构谐振双侧弯曲疲劳试验装置，以用于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。
本发明所采用技术方案的思路是a、由静电力驱动，给微结构上的两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反复弯曲，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弯曲载荷作用，以达到弯曲疲劳试验的效果；b、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；c、试样与其它结构连在一起，免去了试样夹持与对中的麻烦；d、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；e、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基于静电力驱动的微结构谐振双侧弯曲疲劳试验装置，包括电极、与电极连接的侧臂和设置于侧臂上的梳齿；其中一个电极连接交流电，通过该电极的底电极层和至少两组与侧臂成为一体的固定梳齿连接；另一个电极接地；通过结构层直接和至少两组与其侧臂成为一体的悬置梳齿连接；该悬置梳齿与所述的固定梳齿为交错对应设置；上述两组固定梳齿之间由与交流电极连接的其一字型侧臂连接；上述两组悬置梳齿之间由与接地电极连接的T字型侧臂连接；其中T字型侧臂的横直侧臂连接悬置梳齿，其竖直侧臂通过悬置梁与接地电极连接；上述悬置梁为疲劳试样。
前述的固定梳齿和/或悬置梳齿为对称式设置和/或非对称式设置。
前述的电极最上层为金属层，在金属层下面为多晶硅结构层，结构层下面为固定层，在固定层下面进一步设有底电极层。
前述的疲劳试样的顶部设有加大所受的应力水平的缺口。
前述的悬置梳齿的底部设有防止与基底黏附的的凸起部。
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微结构双侧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。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，试样处于双侧弯曲受力环境中，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。
图1微结构双侧弯曲疲劳试验装置的正面全局图；图2微结构双侧弯曲疲劳试验装置的局部放大图；图3微结构双侧弯曲疲劳试验装置电极1的结构剖视图；图4微结构双侧弯曲疲劳试验装置电极2的结构剖视图；图5试验装配示意图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的具体实施例加以说明一种基于静电力驱动的微结构谐振双侧弯曲疲劳试验装置，包括电极、与电极连接的侧臂和设置于侧臂上的梳齿；其中一个电极1连接交流电，通过该电极1的底电极层和两组与侧臂成为一体的固定梳齿连接；另一个电极2接地；通过结构层直接和两组与其侧臂成为一体的悬置梳齿连接；该悬置梳齿与所述的固定梳齿为交错对应设置；
上述两组固定梳齿之间由与交流电极连接的其一字型侧臂连接，侧臂各段之间通过底电极连接；上述两组悬置梳齿之间由与悬置梁连接的T字型侧臂连接；其中T字型侧臂的横直侧臂连接悬置梳齿，其竖直侧臂通过悬置梁与接地电极连接；上述悬置梁为疲劳试样。
根据该技术方案思路所设计的微结构双侧弯曲疲劳试验装置的结构示意图参见图1、图2、图3、图4。图1为正面全局图，其中1、2为电极，图2为局部放大图，图3、图4分别为电极1、2的结构剖视图，各电极最上层均覆盖一层金属叫金属层，如图3中所述的21、图4中的25，目的是为了增强导电性，金属层下面为多晶硅结构层，如图3中的22、图4中的26为整个装置的主要结构层，结构层的下面为固定层，如图3中所示的23、图4中的27，电极1固定层下面还有底电极层24，用于和固定梳齿5、6的侧臂9、10之间的电学连接。3和5、4和6分别为两对梳齿，其中，5、6为固定梳齿，通过底电极层12与电极1相连；3、4为悬置梳齿，由悬置梁7、8和连接悬置梁与悬置梳齿的T字型侧臂悬置在空中；在静电力的驱动下可以上下活动，通过悬置梁7、8和固定块11与电极2相连。悬置梁7、8即为疲劳试样，梳齿3、4的振动将对试样7、8产生双侧交变弯曲载荷，以达到疲劳试验的效果。疲劳试样7、8的中间处引入缺口71，目的是为了造成应力集中，加大试样所受的应力水平。梳齿3、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。
本发明所述的微结构双侧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。这样在梳齿对3和5、4和6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7、8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3和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水平来研究微尺寸试件的疲劳特性。
本发明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。
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。
权利要求
1.一种基于静电力驱动的微结构谐振双侧弯曲疲劳试验装置，包括电极、与电极连接的侧臂和设置于侧臂上的梳齿；其特征在于其中电极(1)连接交流电，通过该电极的底电极层(24)和至少两组与侧臂成为一体的固定梳齿(5)(6)连接；另一个电极(2)接地；通过结构层(26)直接和至少两组与其侧臂成为一体的悬置梳齿(3)(4)连接；该悬置梳齿(3)(4)与所述的固定梳齿(5)(6)为交错对应设置；上述两组固定梳齿之间由与交流电极连接的其一字型侧臂连接，侧臂各段之间通过底电极(12)连接；上述两组悬置梳齿之间由与悬置梁连接的T字型侧臂连接；其中T字型侧臂的横直侧臂连接悬置梳齿，其竖直侧臂通过悬置梁(7)(8)和固定块(11)与接地电极(2)连接；上述悬置梁(7)(8)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双侧弯曲疲劳试验装置，其特征在于所述的固定梳齿和/或悬置梳齿为对称式设置和/或非对称式设置。
3.根据权利要求1所述的基于静电力驱动的微结构谐振双侧弯曲疲劳试验装置，其特征在于所述的电极最上层为金属层，在金属层下面为多晶硅结构层，结构层下面为固定层，在固定层下面进一步设有底电极层。
4.根据权利要求1所述的基于静电力驱动的微结构谐振双侧弯曲疲劳试验装置，其特征在于所述的疲劳试样的顶部设有加大所受的应力水平的缺口。
5.根据权利要求1所述的基于静电力驱动的微结构谐振双侧弯曲疲劳试验装置，其特征在于在所述的悬置梳齿的底部设有防止与基底黏附的的凸起部。
6.根据权利要求1所述的基于静电力驱动的微结构谐振双侧弯曲疲劳试验装置，其特征在于所述的控制终端为计算机。
7.根据权利要求1所述的基于静电力驱动的微结构谐振双侧弯曲疲劳试验装置，其特征在于所述的控制终端为单板机微处理器。
全文摘要
本发明公开了一种基于静电力驱动的微结构谐振双侧弯曲疲劳试验装置，该装置的一个电极连接交流电，通过该电极的底电极层和两组与侧臂成为一体的固定梳齿连接；另一个电极接地；通过结构层直接和两组与其侧臂成为一体的悬置梳齿连接；该悬置梳齿与所述的固定梳齿为交错对应设置；在两组固定梳齿之间由与交流电极连接的其一字型侧臂连接；两组悬置梳齿之间由与接地电极连接的T字型侧臂连接；其中T字型侧臂的横直侧臂连接悬置梳齿，其竖直侧臂通过悬置梁与接地电极连接；该悬置梁为疲劳试样。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。
文档编号G01N3/38GK1800815SQ20051013205
公开日2006年7月12日 申请日期2005年12月21日 优先权日2005年12月21日
发明者丁雷, 尚德广, 贾冠华, 孙国芹, 李浩群 申请人:北京工业大学