本发明专利技术公开了一种微结构双向弯拉疲劳试验装置，包括有驱动电极、检测电极和与之相连接的悬置梳齿单元；在圆心相同但直径不同的数个非闭合圆盘状环臂分布有６个梳齿单元；该梳齿单元分为用来驱动整个悬置结构的驱动组和用来测量悬置结构摆动的幅度的检测组；驱动组和检测组交替分布；每个梳齿单元包含一个悬置梳齿和两个位于悬置梳齿两边的固定梳齿；所有梳齿单元的悬置梳齿通过内侧环臂连于一体并最终与直流电极相连；所有驱动梳齿单元两侧的固定梳齿与驱动电极相连，在驱动电极上分别接入两频率相同、相位相反交流电；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。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术用于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。
技术介绍
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(Scaling Effects)，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双向弯拉多轴应力状况下，有必要设计一种用于微构件疲劳特性研究的双向弯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。
技术实现思路
本专利技术的目的在于通过提供一种基于静电力驱动的微结构双向弯拉疲劳试验装置，以用于MEMS硅微构件双向弯拉疲劳特性的研究。该装置可由MEMS两层多晶硅表面牺牲层标准工艺加工出来。本专利技术所采用技术方案的思路是(1)由相位相反的静电力双向交替驱动，给分布在圆周的三组相互交错的微结构上的梳齿施加相位相反的交流电以产生周期性的双向交替静电力，当该静电力的频率与结构的固有频率一致时，微结构的悬置部分将发生共振，使得联接于振动块上的试样受到周期性的双向弯曲拉伸载荷，以达到双向弯拉多轴疲劳试验的效果；(2)由电容传感器和显微镜测量悬置部分的振动幅度，电容传感器由分布在圆周的另外三组梳齿单元来实现，悬置部分的振动将引起这三组梳齿单元内梳齿之间的电容发生变化，根据电容变化的幅度便可以求出悬置部分振动的幅度，由该振动幅度可求得试样所受的应力水平；(3)试样、驱动部分和检测部分集成于一体，免去了试样夹持与对中的麻烦；(4)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；(5)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。本专利技术是采用以下技术手段实现的一种微结构双向弯拉疲劳试验装置，包括有驱动电极、检测电极和与之相连接的悬置梳齿单元；在圆心相同但直径不同的数个非闭合圆盘状环臂分布有数个梳齿单元；该梳齿单元分为用来驱动整个悬置结构的驱动组和用来测量悬置结构摆动的幅度的检测组；所述的驱动组和检测组交替分布；所述的每个梳齿单元包含一个悬置梳齿和两个位于悬置梳齿两边与之夹合的固定梳齿；上述所有梳齿单元的悬置梳齿通过内侧环臂连于一体并最终与直流电极相连；上述所有驱动梳齿单元两侧的固定梳齿最终均与驱动电极相连或通过底电极与驱动电极相连，在驱动电极上分别接入两频率相同、相位相反以拉动驱动梳齿单元的悬置梳齿左右摆动的交流电；上述所有检测梳齿单元两侧的固定梳齿最终均与检测电极相连或通过底电极与检测电极相连，在该检测电极分别接入两频率相同相位相反的高频载波信号；在所述内侧环臂与非闭合圆盘状环臂中心之间连接有产生多轴交变应力的试样。前述的梳齿单元通过设置在环臂下侧的底电极分别与电极连接。前述的悬置梳齿为6个。前述的电极为5个其中包括2个驱动电极，2个检测电极和1个直流电极。前述的各悬置梳齿端部两侧均设有档块。前述的与检测电极相连的两频率相同相位相反的交流电为相位相差180°的高频载波信号。前述的所述的试样为根部缺口粱形状。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。本专利技术与现有技术相比，具有明显的优势和有益效果本专利技术微结构双向弯拉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，试样与驱动及检测装置连于一体，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。结构的驱动部分和检测部分分开来分别由不同的两组梳齿单元和电路来承担，避免了它们之间的互相干扰。由于接入驱动梳齿两侧的交流电相位相反，因此两侧的静电力将轮流对中间的悬置梳齿产生拉伸作用，造成双向弯曲的效果。试验中，试样处于拉伸、弯曲、剪切多轴受力环境中，与MEMS典型结构所处的受力环境类似。另外，指针和刻度盘的引入使得利用显微镜对梳齿振幅的观测变得更加方便和准确。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，达到了本专利技术所提出的目的和要求。附图说明图1为微结构双向弯拉疲劳试验装置的正面立体图；图2为微结构双向弯拉疲劳试验装置局部放大图图3为微结构双向弯拉疲劳试验装置局部放大图；图4为微结构双向弯拉疲劳试验装置悬置部分的结构图；图5为微结构双向弯拉疲劳试验装置试样处的结构图；图6为各电极结构的剖视图；图7为试验装配示意图。具体实施例方式下面结合附图对本专利技术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双向弯拉疲劳试验装置的结构示意图参见图1、图2、图3、图4、图5，图6所示。图1为正面全局图，图2、图3为主要结构部分的局部放大图，其最大特征尺寸为1000μm左右，图4为所有悬置振动部分的结构图，图5为试样处放大后的形貌，图6为电极各层结构的剖视图。整个装置呈圆盘状分布，1、2、3、4、5为五个电极，其中2、4为驱动电极，分别与环臂6、7相连，1、5为检测电极，分别与环臂8、9相连，3为直流电极。各电极上均覆盖一层金属，目的是为了增强导电性，电极结构的剖视图参加图6，共有四层金属层50、多晶硅结构层51、锚定层52和底电极层53。六个悬置梳齿单元沿圆周分布，请参阅图2所示，可分为两组，其中一组为驱动组，另一组为测量组。每个梳齿单元结构基本一样，包含一个悬置梳齿和两个固定梳齿，其中悬置梳齿位于梳齿单元中间，在与驱动梳齿单元中悬置梳齿连接的靠近内侧环臂15的带动下可以左右摆动，固定梳齿位于悬置梳齿两边与之夹合。典型驱动梳齿单元结构见图2，其中31为悬置梳齿，在静电力的驱动下可以左右摆动，位于两侧与之夹合的梳齿311、312为固定梳齿，通过环臂9、8分别与驱动电极4、1电学相连。另外两组驱动梳齿单元的悬置梳齿为32、33，与悬置梳齿32夹合的其中一固定梳齿321通过底电极323与环臂7电学相连，另一固定梳齿322直接与环臂6相连；与悬置梳齿33夹合的其中一固定梳齿331通过底电极333与环臂7电学相连，另一固定梳齿332直接与环臂6相连。典型检测梳齿单元结构如图3所示，其中41为悬置活动梳齿，位于两侧与之夹合的梳齿411、412为固定梳齿，通过其侧壁下边的锚定层固在底电极层413、414上，其中底电极413、414分别用于固定梳齿411、412与环臂8、9的电路连接，通过圆盘状分布的环臂8、9将两检测电极1、5与固定电极411、412连接。另外两组检测梳齿单元的悬置梳齿为42、43，与42夹合的两固定梳齿421、422通过底电极423、424本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种微结构双向弯拉疲劳试验装置，包括有驱动电极、检测电极和与之相连接的悬置梳齿单元；其特征在于：在圆心相同但直径不同的数个非闭合圆盘状环臂分布有数个梳齿单元；该梳齿单元分为用来驱动整个悬置结构的驱动组和用来测量悬置结构摆动的幅度的检测组；所述的驱动组和检测组交替分布；所述的每个梳齿单元包含一个悬置梳齿和两个位于悬置梳齿两边与之夹合的固定梳齿；上述所有梳齿单元的悬置梳齿通过内侧环臂连于一体并最终与直流电极相连；上述所有驱动梳齿单元两侧的固定梳齿最终均与驱动电极相连或通过底电极与驱动电极相连，在驱动电极上分别接入两频率相同、相位相反以拉动驱动梳齿单元的悬置梳齿左右摆动的交流电；上述所有检测梳齿单元两侧的固定梳齿最终均与检测电极相连或通过底电极与检测电极相连，在该检测电极分别接入两频率相同相位相反的高频载波信号；在所述内侧环臂与非闭合圆盘状环臂中心之间连接有产生多轴交变应力的试样。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：丁雷，尚德广，贾冠华，孙国芹，李浩群，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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