專利名稱：靜電梳狀驅動mems雙軸拉伸疲勞特性實驗裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種靜電梳狀驅動MEMS雙軸拉伸疲勞特性實驗裝置，用于雙軸拉伸應力環(huán)境下MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微機電系統(tǒng))多晶硅結構疲勞特性的研究，屬于微納米尺度材料特性基礎研究領域。
背景技術：
在過去的幾十年里，單晶硅和多晶硅薄膜被廣泛的應用于MEMS(微機械系統(tǒng))。然而在很多的裝置中，例如汽車安全氣囊中的加速度傳感器，在循環(huán)載荷的作用下，疲勞破壞經(jīng)常發(fā)生。目前人們對宏觀狀態(tài)下屬于脆性材料的硅在微納米尺度下疲勞的基本原理還不太清楚。
此外，MEMS的基本構件并不是傳統(tǒng)機械的簡單幾何縮小，當構件細微到微米/納米尺度后，材料本身的力學性質會發(fā)生顯著的變化，從而出現(xiàn)強烈的尺寸效應。常規(guī)條件下材料的力學性能參數(shù)已遠不能滿足MEMS的設計要求。
目前存在的一些疲勞特性檢測裝置僅僅能夠模擬MEMS結構單軸拉伸和單軸彎曲的工作環(huán)境，但是事實上有很多MEMS結構在工作狀態(tài)下都是出于復雜的雙軸拉伸應力環(huán)境下的。
因此為了滿足MEMS系統(tǒng)結構設計的要求，必須引入新的小型化的精密測量裝置來研究其雙軸拉伸疲勞失效特性。
發(fā)明內容
本發(fā)明中提供了一種靜電梳狀驅動MEMS雙軸拉伸疲勞特性研究裝置，來模擬MEMS微結構的實際工作環(huán)境和應力狀態(tài)，進而研究MEMS結構材料多晶硅的雙軸拉伸疲勞特性。
本發(fā)明采取了如下技術方案。本裝置主要包括有接地電極1、驅動電極2、第一固定梳齒4、第二固定梳齒10、第一懸置梳齒5、第二懸置梳齒9。其中，驅動電極2通過兩個互相垂直的第一固定梁13、第二固定梁12連接到第一固定梳齒4和第二固定梳齒10。接地電極1通過兩個互相垂直的第一懸臂梁6、第二懸臂梁8連接到第一懸置梳齒5、第二懸置梳齒9，第一固定梳齒4和第一懸置梳齒5、第二固定梳齒10和第二懸置梳齒9構成兩組梳齒靜電驅動器，在第一懸臂梁6、第二懸臂梁8的交叉部分為疲勞實驗試樣7。接地電極1接地，驅動電極2接交流電。在疲勞實驗試樣7的正中開有正方形的缺口。
在本發(fā)明中，通過設置一對相互垂直的懸臂梁來實現(xiàn)試樣的雙軸拉伸應力環(huán)境。實驗時，對接地電極1接地，對驅動電極2施加正旋波電信號，這樣在梳齒對9和10、5和4之間將產(chǎn)生交變靜電力，當該靜電力的頻率與結構的平面固有頻率相當時，懸置部分將發(fā)生共振。從而帶動懸臂梁8和6產(chǎn)生周期性的拉伸載荷，使試樣7處于典型的雙軸拉伸應力狀態(tài)下。梳齒9和5的振動幅度可由顯微鏡進行觀測，根據(jù)該振動幅度算出試樣缺口部分所受的應力水平來研究微尺寸試件的雙軸疲勞特性。
整個裝置的結構和各構件的尺寸均符合現(xiàn)有表面微機械加工的工藝要求。
本發(fā)明的有益效果為1)靜電梳狀驅動MEMS雙軸拉伸疲勞特性研究裝置的構件與典型MEMS構件在尺寸上相一致；此外由于采用了交叉懸臂梁設置使得試樣(懸臂梁的公共部分)處于典型的雙軸拉伸應力狀態(tài)下，克服了傳統(tǒng)MEMS實驗裝置僅能夠模擬試樣的單軸拉伸和彎曲應力狀態(tài)的不足；這樣對于MEMS疲勞特性的研究非常有利；2)該裝置使用表面微機械工藝加工，試樣與懸臂梁和電極等是一個整體，完全避免了傳統(tǒng)疲勞試驗的夾持和對中操作；3)為了提高試樣所受的應力水平，縮短實驗時間，在試樣中心開了正方型的缺口，同時在實驗過程中應用了該裝置的共振特性；4)該裝置具有加工簡單，操作方便，容易獲取真實實驗數(shù)據(jù)，真實模擬MEMS構件的雙軸受力環(huán)境等特點，因此對處于微尺度的MEMS構件的雙軸拉伸疲勞特性的研究具有很高的價值。
圖1靜電梳狀驅動MEMS雙軸拉伸疲勞特性實驗裝置正面全局2該裝置的立體結構3該裝置的實驗裝配中1、接地電極，2、驅動電極，3、第一橫梁，4、第一固定梳齒，5、第一懸置梳齒，6、第一懸臂梁，7、疲勞實驗試樣，8、第二懸臂梁，9、第二懸置梳齒，10、第二固定梳齒，11、第二橫梁，12、第二固定梁，13、第一固定梁，21、接地電極的固定層，22、接地電極的結構層、23接地電極的金屬層，24、第二固定梁的結構層，25、驅動電極及第一和第二固定梁的固定層，26、驅動電極的金屬層，27、驅動電極的結構層，28、第一固定梁的結構層。
具體實施例方式
下面結合附圖1～4對本發(fā)明的具體實施例加以說明。
本實施例共有兩個電極，其中驅動電極2接交流電，通過多晶硅結構層的第一固定梁13、第二固定梁12連接到第一固定梳齒4、第二固定梳齒10上。接地電極1接地，通過多晶硅結構層的兩個相互垂直的第一懸臂梁6、第二懸臂梁8和其末端的第一橫梁3、第二橫梁11與第一懸置梳齒5、第一懸置梳齒9相連。接交流電的兩組固定梳齒與接地的兩組懸置梳齒交錯設置從而構成兩組梳齒靜電驅動器。兩個懸臂梁以及與懸臂梁相連的橫梁和梳齒沿45度角對稱，使疲勞試樣7受到的沿兩個軸向的拉伸應力相同。兩個相互垂直的第一懸臂梁6、第二懸臂梁8的交叉部分7為疲勞試樣，為了提高試樣所受的應力水平，縮短實驗時間在試樣中心開了正方型的缺口，同時在實驗過程中應用了該裝置的共振特性。
本實施例的靜電梳狀驅動MEMS雙軸拉伸疲勞特性研究裝置的詳細結構參見圖1、圖2。
圖2中的23和26分別為電極1和電極2最上面的金屬層，其目的是為了增強導電性。金屬層下面為多晶硅結構層，如圖2中的3、4、5、6、7、8、9、10、11、22、24、27、28。結構層的下面為固定層，如圖2中所示的21、25。圖2中的9和10，4和5分別為兩對梳齒，其中，10和4為固定梳齒，通過固定梁12和13與電極1相連。9和5為懸置梳齒，通過懸臂梁8和6與電極1相連。在橫梁11、3和懸臂梁8、6的支撐下梳齒9和5懸置在空中。當電極接通電信號時，在靜電力的驅動下懸置梳齒可以往復活動。懸臂梁6和8的公共部分7即為雙軸拉伸疲勞試樣，梳齒9、5的振動將對試樣7產(chǎn)生雙軸拉伸載荷，以達到疲勞試驗的效果。疲勞試樣7的中間處引入缺口，目的是為了造成應力集中，加大試樣所受的應力水平。橫梁3和11的反面設計有一些小凸起，這些凸起是為了防止釋放過程中懸置的微結構與基底的黏附。
本發(fā)明利用上述靜電梳狀驅動MEMS雙軸拉伸疲勞特性研究裝置所設計的微機械疲勞試驗方案。該方案示意圖參見圖3，主要由終端控制裝置31、信號發(fā)生器32、功率放大器33和試驗裝置35構成。靜電梳狀驅動MEMS雙軸拉伸疲勞特性研究裝置放于操作臺上，其電路連接由操作臺上探針34提供，疲勞試樣上方放有顯微鏡36，在顯微鏡36上設有CCD攝像機37用于觀測懸臂梁6，8的振動幅度及試驗的進行情況。信號發(fā)生器32產(chǎn)生的具有固定頻率的正弦波信號通過功率放大器33放大后由探針34接入靜電梳狀驅動MEMS雙軸拉伸疲勞特性研究裝置的交流電極2，電極1通過探針接地。
通過在試樣正中開正方形的缺口來使疲勞現(xiàn)象易于觀察。通過懸臂梁下面的凸起，防止懸置部分與基底黏附。
最后應說明的是以上實施例僅用以說明本發(fā)明而并非限制本發(fā)明所描述的技術方案；因此，盡管本說明書參照上述的各個實施例對本發(fā)明已進行了詳細的說明，但是，本領域的普通技術人員應當理解，仍然可以對本發(fā)明進行修改或等同替換；而一切不脫離實用新型的精神和范圍的技術方案及其改進，其均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。
權利要求
1.靜電梳狀驅動MEMS雙軸拉伸疲勞特性實驗裝置，其特征在于主要包括有接地電極(1)、驅動電極(2)、第一固定梳齒(4)、第二固定梳齒(10)、第一懸置梳齒(5)、第二懸置梳齒(9)；其中，驅動電極(2)通過兩個互相垂直的第一固定梁(13)、第二固定梁(12)連接到第一固定梳齒(4)和第二固定梳齒(10)；接地電極(1)通過兩個互相垂直的第一懸臂梁(6)、第二懸臂梁(8)連接到第一懸置梳齒(5)、第二懸置梳齒(9)，第一固定梳齒(4)和第一懸置梳齒(5)、第二固定梳齒(10)和第二懸置梳齒(9)構成兩組梳齒靜電驅動器，在第一懸臂梁(6)、第二懸臂梁(8)的公共部分為疲勞實驗試樣(7)，接地電極(1)接地，驅動電極(2)接交流電。
2.根據(jù)權利要求1所述的靜電梳狀驅動MEMS雙軸拉伸疲勞特性實驗裝置，其特征在于在疲勞實驗實樣(7)上開有正方形的缺口。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種靜電梳狀驅動MEMS雙軸拉伸疲勞特性實驗裝置，屬于微納米尺度材料特性基礎研究領域。該裝置共有兩個電極(1，2)，其中電極(2)接交流電，通過多晶硅結構層連接到固定梳齒(12、13)。另一個電極(1)接地，通過結構層的兩個相互垂直的懸臂梁與梁另一端的懸置梳齒連接。接交流電的兩組固定梳齒與接地的兩組懸置梳齒交錯設置從而構成兩組梳齒靜電驅動器。兩個相互垂直的懸臂梁交叉部分為疲勞試樣。本發(fā)明中使得試樣(懸臂梁的公共部分)(7)處于典型的雙軸拉伸應力狀態(tài)下，克服了傳統(tǒng)MEMS實驗裝置僅能夠模擬試樣的單軸拉伸和彎曲應力狀態(tài)的不足；這樣對于MEMS疲勞特性的研究非常有利。
文檔編號G01M99/00GK1948942SQ20061011443
公開日2007年4月18日 申請日期2006年11月10日 優(yōu)先權日2006年11月10日
發(fā)明者尚德廣, 賈冠華, 李立森, 王瑞杰, 孫國芹, 鄧靜, 劉豪 申請人:北京工業(yè)大學