精密作动/感知双模式一体化的微机械梳齿结构及检测方法与流程

本发明涉及微机械电子系统(mems)技术领域与精密仪器领域，特别涉及一种精密作动/感知双模式一体化的微机械梳齿结构及检测方法，可用于生物微机械操作、材料性能测试、显微操作和多维度传感测试技术等领域实现超精密加载与传感检测技术。

背景技术：

随着新材料合成与制备工艺不断发展，材料力学性能表征测试技术逐渐向样品特征尺寸微小化、无损化的方向发展，促使纳米压痕/划痕技术逐渐趋于仪器化，尤其针对低维材料的力学性能测试采用传统材料力学性能表征手段显然存在诸如样品装夹不便、样品制备复杂等技术缺陷。相比于纳米压痕/划痕测试通过压入载荷和压入深度数据，绘制相应的载荷-深度关系曲线，即可获得硬度、弹性模量、应力-应变曲线、断裂韧性、蠕变特性、界面结合力等丰富的力学信息。

精密驱动(或定位)技术和检测技术是纳米压痕/划痕测试领域的重要支撑技术，利用压电促动器结合柔性铰链放大机构、电磁驱动、静电驱动、伺服电机等方式已广泛应用到各科研院所自制仪器和商业化压痕/划痕仪器，譬如中科院张泰华课题组、吉林大学赵宏伟课题组、澳大利亚ibis公司、美国kla-tencor(原美国nanomechanics)等公司、瑞士antonpear公司、德国bruker(原美国hysitron)公司、瑞士femtotools公司、德国zwick公司等；相比于压阻式、感应式、光电式、压电式等应用于精密测量手段，电容检测存在高灵敏度和分辨率、宽带宽、长期工作稳定性好、无漂移且对环境适应性更强，利用差动式电容检测原理实时测试压入深度应用最为广泛；然而检测压入载荷的方式各有差异，比如瑞士antonpear公司等电磁驱动原理的压入载荷通过所建立的动力学模型计算压入载荷，澳大利亚ibis公司产品通过lvdt检测弹性元件变形换算压入载荷，德国bruker(原美国hysitron)公司和瑞士femtotools公司则采用电容检测方式直接测得压入载荷，其中德国bruker公司采用三电极板测量方式集成精密驱动/检测，而瑞士femtotools公司静电检测微力传感器为提高载荷检测分辨率增加有效极板数量，但是不具备加载功能同时也仅为一维压力传感器，无法满足薄膜材料纳米压痕/划痕测试需求。

综上所述，横向比较已有纳米压痕/划痕的驱动检测结构与工作原理，当以静电梳齿驱动加载检测结构具有极高的灵敏度和分辨率，但是将会引起量程缩小、外部采集电路及梳齿结构设计更为复杂等局限，如美国专利(us8161803b2)中涉及用于纳米压痕的微机械梳齿结构，分别从驱动部分梳齿结构、传感检测部分梳齿结构、弹簧结构、封装工艺、过冲保护结构等方面加以设计，具有误差小、精度高等优点，但是驱动检测量程将受灵敏度限制，仅为一维驱动检测结构，无法同时实现划痕功能；德国国家计量研究院(ptb)设计横向梳齿结构用于压痕加载测试，相比于法向梳齿结构具有驱动载荷恒定且输出位移较大，然而输出载荷灵敏度将受限。然而，目前所涉及用于纳米压痕测试领域的静电梳齿结构驱动检测维度不高，无法适应样品微区表面形貌或者平面度较差的测试环境，测试误差将显著增加，并且由于梳齿结构设计参数对加载量程和灵敏度影响互异，存在测试量程与灵敏度单一的缺陷。

研制具有二维驱动检测能力的静电梳齿结构，同时实现匹配不同量程及灵敏度加载的双模式微机械梳齿加载检测结构将适应于更广泛的材料力学性能测试，将拓展纳米压痕/划痕测试技术的最小加载测试范围，并在生物微机械操作、材料性能测试、显微操作和多维度传感测试技术等领域具有潜在应用价值。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种精密作动/感知双模式一体化的微机械梳齿结构及检测方法，解决了现有静电驱动及电容检测组件存在的上述不足。本发明可用于材料力学性能精密测量中的驱动和检测，具有二维驱动检测能力，即可同时实现纳米薄膜的压痕和划痕测试；实现匹配不同量程与灵敏度的双模式驱动检测，可以兼顾高载荷灵敏度和高位移灵敏度不同应用场合的需要；同时利用两组不同梳齿参数的法向静电梳齿结构实现连续动态测试(csm)，为拓宽微机电子系统领域与精密仪器领域提供一种材料力学性能精密驱动和检测装置的可用方案。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

精密作动/感知双模式一体化的微机械梳齿结构，包括金属层11、器件层12、牺牲层13和衬底层14，共同构成绝缘体上硅soi三明治结构，其中器件层12由探针15、多组接线端子、两组横向静电梳齿结构16、两组法向静电梳齿结构i17、两组法向静电梳齿结构ii116以及多组弹簧结构组成；各静电梳齿结构均由动极板和静极板交替排列而成，其中动极板与探针15构成动子，并通过多组弹簧结构与定子相连；微机械梳齿结构1属于微型器件，鉴于微机械电子系统mems工艺所限，器件整体尺寸设定为l×(h1+h2+h3)×w，其中器件层12厚度为h1，牺牲层13厚度为h2，衬底层14厚度为h3。

所述的多组接线端子由沉积在器件层12上的金属层11组成并对称布置在探针15轴线两侧，其中金属层i111a、金属层ii111b和金属层ix115控制探针15或动子的电压极性；金属层iii112a和金属层iv112b控制横向静电梳齿结构16定极板的电压极性；金属层v113a和金属层vi113b控制法向静电梳齿结构i17定极板的电压极性；金属层vii114a和金属层viii114b控制法向静电梳齿结构ii116定极板的电压极性；通过改变各组静电梳齿结构中定极板和探针15或动子的电压极性产生相对运动，实现静电驱动加载，并且通过探针15测试过程中产生的反作用力改变极板间距产生电容变化，实现载荷和位移/变形的精确检测。

所述的多组弹簧结构由二维弹簧结构i18、一维弹簧结构ii19和y3-弹簧结构110组成，其中y3-弹簧结构110采用单一柔性直梁形式；所述二维弹簧结构i18由两组y1-弹簧结构181和x-弹簧结构182组成，其中y1-弹簧结构181采用两组单一柔性直梁形式；x-弹簧结构182采用一组折叠式柔性梁形式，连接探针15与定子；所述一维弹簧结构ii19由y2-弹簧结构191和过冲保护结构192，其中y2-弹簧结构191采用一组折叠式柔性梁形式，过冲保护结构192在探针15轴线方向即y轴间隙较小且间隙两侧电压极性相同，当法向静电梳齿结构i17和法向静电梳齿结构ii116所施加偏置电压大于临界pull-in电压，过冲保护结构192将首先接触提高受载方向即y轴刚度，避免各组静电梳齿结构动静极板相接触发生短路破坏。

所述的法向静电梳齿结构i17是由对称分布在动子移动梁两侧的十七对静电梳齿结构组成，同理法向静电梳齿结构ii116包含两组各四十对静电梳齿结构，结合一维弹簧结构ii19和y3-弹簧结构110实现动子沿y轴驱动与检测；法向静电梳齿结构i17参数设定为：同极性极板间隔为d2，极板间重叠长度为l2，异极性极板间隔分别为d3和d4，d3<<d4，而法向静电梳齿结构ii116参数设定为：同极性极板间隔为d3，极板间重叠长度为l3，异极性极板间隔分别为d5和d6，d5<<d6，要求d3<d2，l2<l3，d6<d3；根据静电力学基本理论可知，已知相对介电常数ε，极板间电压分别为v2和v3，则

其中fd1和fd2为由于间隙改变引起的法向静电驱动载荷，c2和c3是法向静电梳齿结构i17和法向静电梳齿结构ii116电容值；同时，分别对公式(1)至(4)求偏导数，计算不同静电梳齿结构参数的载荷灵敏度和位移灵敏度；

显然，法向静电梳齿结构i17的载荷灵敏度更高然而法向静电梳齿结构ii116的位移灵敏度更高，相反法向静电梳齿结构i17具有更大的位移/变形范围，法向静电梳齿结构ii116最大驱动载荷较大。

所述的横向静电梳齿结构16包括对称分布在动子横梁两侧的十四对静电梳齿结构，结合二维弹簧结构i18实现动子沿x轴驱动与检测；横向静电梳齿结构16参数设定为：同极性极板间隔为d1，极板间重叠长度为l1，异极性极板间隔分别为d1和d2，d1<<d2，根据静电力学基本理论可知，已知相对介电常数ε，极板间电压v1，则

其中fl为由于间隙改变引起的横向静电驱动载荷，c1为横向静电梳齿结构16电容值；同理，当样品微区表面形貌或者平面度较差的测试环境时，探针15承受x向分力，将引起各组静电梳齿结构的电容变化，通过解耦计算可确定fx，此时通过设定单边电压极性产生相反转矩平衡x向分量，保证探针15仅在沿轴线方向承受载荷作用。

本发明的另一目的在于提供一种精密作动/感知双模式一体化的微机械梳齿结构的检测控制方法，包括以下步骤：

步骤一、将微机械梳齿结构1的衬底层14通过环氧树脂固连在采集电路板2特定位置，保证探针15受载方向与固连在精密纳米位移平台4上的纳米薄膜样品3表面相互垂直，其中为降低引线所致杂散电容的引入，将电容-电压转换检测电路5布置在采集电路板2上，微机械梳齿结构1上的多组接线端子与其相连；

步骤二、将金属层i111a、金属层ii111b和金属层ix115与电容-电压转换检测电路5中传感器及激励电路10一端子相连，金属层iii112a和金属层iv112b与另一端子相连，对横向静电梳齿结构16动静极板施加驱动电压，探针15及动子绕y1-弹簧结构181、x-弹簧结构182和y2-弹簧结构191微转动，引起法向静电梳齿结构i17和法向静电梳齿结构ii116极板间电容量变化，经电荷积分器9、数据采集/保持模块8、二级低通滤波器7和放大器6将电容变化量转化为输出电压，通过控制器和工控机解耦计算即得横向即x轴载荷fx；

步骤三、对法向静电梳齿结构i17动静极板施加驱动电压，将金属层vii114a和金属层viii114b与电容-电压转换检测电路5另一端子相连，属于大位移/变形量程驱动加载模式，探针15及动子绕y1-弹簧结构181、y2-弹簧结构191和y3-弹簧结构110微转动，此时法向静电梳齿结构ii116作为电容检测单元，具有较高的位移灵敏度，同上述步骤二输出电压经控制器和工控机即得压入即y轴载荷fy；

步骤四、对法向静电梳齿结构ii116动静极板施加驱动电压，将金属层v113a和金属层vi113b与电容-电压转换检测电路5又一端子相连，属于大载荷驱动加载模式，此时法向静电梳齿结构i17作为电容检测单元，具有较高的载荷灵敏度，同上述步骤二输出电压经控制器和工控机即得压入即y轴载荷fy；

步骤五、当法向静电梳齿结构ii116动静极板施加恒定偏置驱动电压，探针15及动子沿轴线压入纳米薄膜样品3，同时对法向静电梳齿结构i17动静极板施加连续正弦交变电压，正弦振动与准静态加载过程耦合，实现对纳米薄膜样品3深度方向连续刚度测试。

本发明的有益效果在于：

1、本发明基于静电加载驱动与电容检测原理实现双模式的纳米压痕/划痕测试，通过两组不同设定参数的法向静电梳齿结构，并匹配不同金属层接线端子，可同时实现高载荷灵敏度、高位移灵敏度和连续刚度测试等多种加载检测模式，可适用于诸如生物软体组织及超硬薄膜等材料力学性能测试。

2、本发明设计横向梳齿结构可实现纳米划痕加载测试，通过二维mems结构设计对样品微区表面形貌或者平面度较差的测试环境时，可利用单边电压加载抵消额外转矩，保证纳米压痕过程中法向静电梳齿结构电容检测值的准确性。

3、本发明设计多组不同形式的弹簧结构并配合过冲保护结构，有效避免偏置电压过大导致极板间短路，微机械梳齿结构中梳齿电容变化量经由电容-电压转换检测电路转换为输出电压，经工控机和控制器内部算法可以实现本发明在材料力学性能精密测量中的驱动和检测闭环控制。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的整体结构轴测图；

图2为本发明的整体结构俯视图；

图3为本发明的横向静电梳齿结构俯视图；

图4为本发明的法向静电梳齿结构i俯视图；

图5为本发明的法向静电梳齿结构ii俯视图；

图6为本发明的二维弹簧结构i局部放大图；

图7为本发明的一维弹簧结构ii及过冲保护结构局部放大图；

图8为本发明的整体结构示意图(不含外部定子框架)；

图9为本发明的纳米划痕静电驱动与电容检测运动响应示意图；

图10为本发明的纳米压痕静电驱动与电容检测运动响应示意图(仅以任一组法向静电梳齿结构静电驱动为例)；

图11为本发明的纳米压痕/划痕加载与检测测试系统控制框图。

图中：1、微机械梳齿结构；2、采集电路板；3、纳米薄膜样品；4、精密纳米位移平台；5、电容-电压转换检测电路；6、放大器；7、二级低通滤波器；8、数据采集/保持模块；9、电荷积分器；10、传感器及激励电路；11、金属层；110、y3-弹簧结构；111a、金属层i；111b、金属层ii；112a、金属层iii；112b、金属层iv；113a、金属层v；113b、金属层vi；114a、金属层vii；114b、金属层viii；115、金属层ix；116、法向静电梳齿结构ii；12、器件层；13、牺牲层；14、衬底层；15、探针；16、横向静电梳齿结构；17、法向静电梳齿结构i；18、二维弹簧结构i；181、y1-弹簧结构；182、x-弹簧结构；19、一维弹簧结构ii；191、y2-弹簧结构；192、过冲保护结构。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

参见图1至图11所示，本发明的精密作动/感知双模式一体化的微机械梳齿结构及检测方法，包括绝缘体上硅三明治结构，主体器件层由探针、多组接线端子、两组横向静电梳齿结构、两组法向静电梳齿结构i、两组法向静电梳齿结构ii和多组弹簧结构组成，静电梳齿结构均由动极板和静极板交互叠加排列而成，动极板与探针构成动子，通过多组弹簧结构与定子相连。基于静电驱动与电容检测原理，通过不同极板参数设计的静电梳齿结构，可实现双模式的纳米压痕/划痕测试，具有灵敏度高、可实现连续刚度测试等优点，在生物微机械操作等诸多领域也具有良好的应用前景。本发明的一种精密作动/感知双模式一体化的微机械梳齿结构，具有多种静电加载检测模式，可同时实现纳米压痕/划痕测试并且可以适用于表面质量或者几何精度不高的样品测试，大大地拓宽了现有仪器化纳米压痕测试技术领域，并且通过设计不同的探针15结构，配合该微机械梳齿结构在生物微机械操作、材料性能测试、显微操作和多维度传感测试技术等领域具有潜在的应用前景。

参见图1至图10所示，本发明的精密作动/感知双模式一体化的微机械梳齿结构，包括金属层11、器件层12、牺牲层13和衬底层14，共同构成绝缘体上硅(soi)三明治结构，其中器件层12由探针15、多组接线端子、两组横向静电梳齿结构16、两组法向静电梳齿结构i17、两组法向静电梳齿结构ii116以及多组弹簧结构组成；所述静电梳齿结构均由动极板和静极板交替排列而成，其中动极板与探针15构成动子，并通过多组弹簧结构与定子相连；所述微机械梳齿结构1属于微型器件，鉴于微机械电子系统(mems)工艺所限，器件整体尺寸设定为l×(h1+h2+h3)×w，其中器件层12厚度为h1，牺牲层13厚度为h2以及衬底层14厚度为h3。

参见图2所示，所述多组接线端子由沉积在器件层12上的金属层i111a、金属层ii111b、金属层iii112a、金属层iv112b、金属层v113a、金属层vi113b、金属层vii114a、金属层viii114b和金属层ix115组成并对称布置在探针15轴线两侧，其中金属层i111a、金属层ii111b和金属层ix115可控制探针15(或动子)的电压极性；金属层iii112a和金属层iv112b用来控制横向静电梳齿结构16定极板的电压极性；金属层v113a和金属层vi113b用来控制法向静电梳齿结构i17定极板的电压极性；金属层vii114a和金属层viii114b用来控制法向静电梳齿结构ii116定极板的电压极性；通过改变各组静电梳齿结构中定极板和探针15(或动子)的电压极性产生相对运动，实现静电驱动加载，并且通过探针15测试过程中产生的反作用力改变极板间距产生电容变化，实现载荷和位移(变形)的精确检测。

参见图6和图7所示，所述多组弹簧结构由二维弹簧结构i18、一维弹簧结构ii19和y3-弹簧结构110组成，其中y3-弹簧结构110采用单一柔性直梁形式；所述二维弹簧结构i18由两组y1-弹簧结构181和x-弹簧结构182组成，其中y1-弹簧结构181采用两组单一柔性直梁形式；x-弹簧结构182采用一组折叠式柔性梁形式，连接探针15与定子；所述一维弹簧结构ii19由y2-弹簧结构191和过冲保护结构192，其中y2-弹簧结构191采用一组折叠式柔性梁形式，过冲保护结构192在探针15轴线方向(即y轴)间隙较小且间隙两侧电压极性相同，当法向静电梳齿结构i17和法向静电梳齿结构ii116所施加偏置电压大于临界pull-in电压，过冲保护结构192将首先接触提高受载方向(即y轴)刚度，避免各组静电梳齿结构动静极板相接触发生短路破坏。

参见图4和图5所示，所述法向静电梳齿结构i17是由对称分布在动子移动梁两侧的十七对静电梳齿结构组成，同理法向静电梳齿结构ii116包含两组各四十对静电梳齿结构，结合一维弹簧结构ii19和y3-弹簧结构110实现动子沿y轴驱动与检测；法向静电梳齿结构i17参数设定为：同极性极板间隔为d2，极板间重叠长度为l2，异极性极板间隔分别为d3和d4(d3<<d4)，而法向静电梳齿结构ii116参数设定为：同极性极板间隔为d3，极板间重叠长度为l3，异极性极板间隔分别为d5和d6(d5<<d6)，要求d3<d2，l2<l3，d6<d3。根据静电力学基本理论可知，已知相对介电常数ε，极板间电压分别为v2和v3，则

其中fd1和fd2为由于间隙改变引起的法向静电驱动载荷，c2和c3是法向静电梳齿结构i17和法向静电梳齿结构ii116电容值。同时，分别对公式(1)至(4)求偏导数，计算不同静电梳齿结构参数的载荷灵敏度和位移灵敏度。

显然，法向静电梳齿结构i17的载荷灵敏度更高然而法向静电梳齿结构ii116的位移灵敏度更高，相反法向静电梳齿结构i17具有更大位移(变形)范围，法向静电梳齿结构ii116最大驱动载荷较大。

参见图3所示，所述横向静电梳齿结构16包括对称分布在动子横梁两侧的十四对静电梳齿结构，结合二维弹簧结构i18实现动子沿x轴驱动与检测；横向静电梳齿结构16参数设定为：同极性极板间隔为d1，极板间重叠长度为l1，异极性极板间隔分别为d1和d2(d1<<d2)，根据静电力学基本理论可知，已知相对介电常数ε，极板间电压v1，则

其中fl为由于间隙改变引起的横向静电驱动载荷，c1为横向静电梳齿结构16电容值。同理，当样品微区表面形貌或者平面度较差的测试环境时，探针15承受x向分力，将引起各组静电梳齿结构的电容变化，通过解耦计算可确定fx，此时通过设定单边电压极性产生相反转矩平衡x向分量，保证探针15仅在沿轴线方向承受载荷作用。

实施例：

下面，参见图8至图10和图11所示，分别以纳米压痕和纳米划痕的工作流程为例，具体说明双模式一体化的微机械梳齿结构的检测控制方法。

基于静电驱动加载与电容检测原理的微机械梳齿结构1纳米压痕/划痕一般工作流程如下：首先将微机械梳齿结构1金属层接线端子与电容-电压转换检测电路5、控制器和工控机相连；其次当法向静电梳齿结构i17静电梳齿极板施加极性相反的驱动电压，同时法向静电梳齿结构ii116作为电容检测单元，构成高位移灵敏度闭环纳米压痕控制；当法向静电梳齿结构ii116静电梳齿极板施加极性相反的驱动电压，同时法向静电梳齿结构i17作为电容检测单元，构成高载荷灵敏度闭环纳米压痕控制；当横向静电梳齿结构16静电梳齿极板施加极性相反的驱动电压，同时法向静电梳齿结构i17和法向静电梳齿结构ii116作为电容检测单元，闭环控制纳米划痕；最后作为电容检测单元静电梳齿结构的电容变化量经由电容-电压转换检测电路5转换为输出电压，通过解耦计算实时显示压入深度与压入载荷以及划入载荷信息。

本发明的精密作动/感知双模式一体化的微机械梳齿结构的检测控制方法，主要包括以下步骤：

1)将微机械梳齿结构1的衬底层14通过环氧树脂固连在采集电路板2特定位置，保证探针15压入方向与固连在精密纳米位移平台4上的纳米薄膜样品3表面相互垂直，其中为降低引线所致杂散电容的引入，将电容-电压转换检测电路5布置在采集电路板2上，微机械梳齿结构1上的多组接线端子与其相连。

2)将金属层i111a、金属层ii111b和金属层ix115与电容-电压转换检测电路5中传感器及激励电路10一端子相连，当金属层iii112a和金属层iv112b与另一端子相连，对横向静电梳齿结构16动静极板施加驱动电压，探针15及动子绕y1-弹簧结构181、x-弹簧结构182和y2-弹簧结构191微转动，引起法向静电梳齿结构i17和法向静电梳齿结构ii116极板间电容量变化，经电荷积分器9、数据采集/保持模块8、二级低通滤波器7和放大器6将电容变化量转化为输出电压，通过控制器和工控机解耦计算即可计算划痕载荷fx。

3)对法向静电梳齿结构i17动静极板施加驱动电压，将将金属层vii114a和金属层viii114b与电容-电压转换检测电路5另一端子相连，属于大压入量程驱动加载模式，探针15及动子绕y1-弹簧结构181、y2-弹簧结构191和y3-弹簧结构110微转动，此时法向静电梳齿结构ii116作为电容检测单元，具有较高的位移灵敏度，同上述步骤2)输出电压经控制器和工控机即可计算压痕载荷fy。

4)对法向静电梳齿结构ii116动静极板施加驱动电压，将金属层v113a和金属层vi113b与电容-电压转换检测电路5另一端子相连，属于高压入载荷驱动加载模式，此时法向静电梳齿结构i17作为电容检测单元，具有较高的载荷灵敏度，同上述步骤2)输出电压经控制器和工控机即可计算压痕载荷fy。

5)当法向静电梳齿结构ii116动静极板施加恒定偏置驱动电压，探针15及动子沿轴线压入纳米薄膜样品3，同时对法向静电梳齿结构i17动静极板施加连续正弦交变电压，正弦振动与准静态加载过程耦合，实现对纳米薄膜样品3深度方向连续刚度测试(csm)。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。