本发明专利技术公开了一种微结构单向弯拉疲劳试验装置，该装置在一个悬置振动块的一侧设有驱动梳齿对，在悬置振动块的另一侧设有检测振动幅度的检测梳齿对；驱动梳齿对和检测梳齿对的外侧壁通过锚定层固定在硅基底上并分别与连接以产生周期性的静电力的驱动电极和连接感测电路的检测电极连接；其悬置振动块的端部与产生交变应力的试样的一端连接；试样的另一端与接地电极相连；试样与驱动及检测装置为一体性结构；驱动电极连接功率放大器输出的探针；检测电极由探针引出，接入振幅测量电路后与终端控制设备的输入端连接；应用于微纳米技术基础研究领域作用在ＭＥＭＳ系统结构材料多晶硅疲劳特性的研究的微结构单向弯拉疲劳试验装置。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种疲劳试验装置，特别涉及一种应用于微纳米技术基础研究领域作用在MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)结构材料多晶硅疲劳特性的研究的微结构单向弯拉疲劳试验装置。
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。目前，对于发生这种变化的机理还不太明确，因此了解这种机理并测量硅在微米尺度下的疲劳特性对于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在专用的材料疲劳试验机上进行，标准试样通过夹具装卡，采用液压、电磁等驱动方式。但这种方法并不适用于MEMS疲劳特性的研究，首先由于尺寸效应，液压、电磁等驱动方式在微米状态下不适用，其次微米尺度下试样的装卡和对中极其困难。因此，有必要设计一种全新的疲劳试验装置专门用于微机械疲劳特性的研究。新的试验装置应达到以下要求1)新装置的特征尺寸必须控制在微米尺度范围内。2)新装置的结构形状必须能够充分模拟当前MEMS装置的工作条件(应力应变等)，并且可以用现有的MEMS加工工艺加工。3)新装置必须允许现有成熟技术对试样过程中的实验数据进行精确测量和记录。
技术实现思路
本专利技术的目的在于通过提供一种基于对实验装置的基本要求的微结构单向弯拉疲劳试验装置，而达到基于静电力驱动的谐振疲劳试验装置来进行微机械结构材料多晶硅疲劳特性的研究。该装置可通过微纳米加工技术加工出来。本专利技术的基本思路为1、设计实验装置的结构形状在现有工艺条件可以实现的前提下，设计一套微米尺度的实验装置，将试样、驱动部分和检测部分集成于一体，免去了试样装卡与对中的麻烦，并且可以充分模拟MEMS系统的工作状态的应力应变。2、设计实验装置的驱动方式本实验装置采用静电驱动方式，即给一对相互交错的梳齿施加交流电以产生周期性的静电力，当该静电力的频率与结构的固有频率一致时，悬置振动块将发生共振，使得连于振动块的试样能够产生足够的交变应力，以达到疲劳试验的效果；3、设计实验装置的检测装置由电容传感器和显微镜测量悬置振动块的振动幅度，根据测得的振动幅度由有限元方法求得试样所受的应力水平。本专利技术是采用以下技术手段实现的一种微结构单向弯拉疲劳试验装置，在一个悬置振动块的一侧至少设有一个由驱动梳齿对，在悬置振动块的另一侧至少设有一个检测振动幅度的检测梳齿对；上述的驱动梳齿对和检测梳齿对的外侧壁通过锚定层固定在硅基底上并分别与连接以产生周期性的静电力的驱动电极和连接感测两侧梳齿之间电容变化的感测电路的检测电极连接；上述驱动梳齿和检测梳齿夹合的悬置振动块的端部与产生交变应力的试样的一端连接；试样的另一端与接地电极相连；试样与驱动及检测装置为一体性结构；上述装置的工作状态由控制终端进行控制；终端控制的输出端连接信号发生器的输入端；信号发生器将产生的信号送入功率放大器放大；上述驱动电极连接功率放大器输出的探针；上述检测电极由探针引出，接入振幅测量电路输入端；该检测电路的输出端连接控制终端的输入端。前述的试样为根部缺口粱形状；前述试样的前面设有释放孔；前述的悬置振动块为多孔状；前述的多孔状为圆孔、方孔或菱形孔；前述的电极为的表面为一金属层，在金属层下面为多晶硅结构层，多晶硅结构层下面是锚定层，整个电极通过锚定层锚定于硅片基底上。前述的悬置振动块底的面有设有防止释放过程中振动块与基底的黏附的数个凸起部。前述的检测电极为电容传感器。本专利技术与现有技术相比具有明显的优势和有益效果1、本专利技术(微结构单向弯拉疲劳试验装置)属于典型的MEMS结构，与标准工艺相对应。2、试样与驱动及检测装置连于一体，免去了夹持与对中的麻烦，具有加工容易，操作简便等特点。3、共振及试样根部缺口的引进，大大提高了试样所受应力水平，使得疲劳试验能够在容许的时间范围内完成。4、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，其研究结果具有很高的实用价值，达到了本专利技术所提出的目的要求。附图说明图1为微结构单向弯拉疲劳试验装置的正面示意图；图2为微结构单向弯拉疲劳试验装置局部放大图；图3为微结构单向弯拉疲劳试验装置电极结构层的剖面示图；图4为微结构单向弯拉疲劳试验装置底面局部放大图；图5为试验装配示意图。具体实施例方式下面结合附图对本技术的具体实施例加以说明根据该技术方案的基本思路所设计的微结构弯拉疲劳试验装置的结构示意图参见图1、图2所示；图1为正面全局图，图2为正面主要结构部分的局部放大图。请参阅图1所示，其中的1、2、3为3个电极；各电极的表面为一层金属叫做金属层4，目的是为了增强导电性，金属层下面为多晶硅结构层5，该装置的主要结构都处于该层，多晶硅结构层下面是锚定层6，其电极各结构层的剖面示图请参阅图3；整个电极通过锚定层锚定于硅片基底上。图2中的7和8、9和10分别为两对梳齿，试样12与电极3连接；其中7、9为固定梳齿，分别与外侧固定块13、14连于一体，通过锚定层21、22锚定在硅基底上(参见图4)，8、10为活动梳齿与悬置振动块11连为一个整体。电极1通过外侧固定块13与梳齿7相连，梳齿对7、8作为驱动梳齿驱动悬置的振动块11发生振动；电极2通过外侧固定块14与梳齿9相连，梳齿对9、10作为电容传感器来检测振动块11的振动幅度。与振动块11的根部相连的缺口梁为实验试样12。振动过程中振动块11的摆动将对使试样12内部产生交变载荷，从而使试样产生疲劳。请参阅图4所示，疲劳试样12根部引入缺口121的目的是为了造成应力集中，加大试样所受的应力水平。试样12的另一端与电极3相连。振动块11上设计了很多孔是为了方便加工过程中牺牲层的释放。请参阅图4所示，为微结构单向弯拉疲劳试验装置底面局部放大图；从图中可以看出，振动块11底面有一些小凸起20，这些凸起是为了防止释放过程中振动块与基底的黏附。试样12前面的方孔122为释放孔，也是为了方便牺牲层的释放。实验装置的驱动原理为给电极1通一定频率的交流电，电极3接地。这样在梳齿对7、8之间将产生交变静电力，当该静电力的频率与振动块11的平面固有频率相当时，振动块11将发生共振，从而带动试样12产生周期性的弯曲载荷，另外，振动块11振动过程中角速度的变化将造成试样12所受到的离心力发生周期性的变化，弯曲载荷和离心力的作用将使试样12产生弯拉交变应力，从而造成试样12的疲劳损伤直至断裂。实验结果的观测过程为电极2接直流电，振动块11的振动将造成梳齿对9、10之间电容的变化，通过感测电路测出这种变化，再交给计算机或单板机微处理器的相应软件进行分析处理便能间接测量出振动块的振动幅度，该测量结果可与显微镜的观测结果进行对比，检验其正确性。根据该振动幅度即可用有限元方法算出试样缺口部分121所受的应力。本专利技术的实施例为利用上述微结构单向弯拉疲劳性能试验系统所设计的微机械疲劳特性试验方案。该方案示意图参见图6，主要由微结构单向弯拉疲劳性能试验装置操作台100，终端控制装置200，与终端控制装置连接的信号发生器500，和将信号发生器的信号进行放大的功率放大器400，以及与终端控制装置输入端相连的振幅测量电路300组成。其中，微结构单向弯拉疲劳性能试验装置操作台100，包括微结构单向弯拉疲本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种微结构单向弯拉疲劳试验装置，其特征在于：在一个悬置振动块的一侧至少设有一个由驱动梳齿对，在悬置振动块的另一侧至少设有一个检测振动幅度的检测梳齿对；上述的驱动梳齿对和检测梳齿对的外侧固定块通过锚定层固定在硅基底上并分别与连接以产生周期性的静电力的驱动电极和连接感测两侧梳齿之间电容变化的感测电路的检测电极连接；上述驱动梳齿和检测梳齿夹合的悬置振动块的端部与产生交变应力的试样的一端连接；试样的另一端与接地电极相连；试样与驱动及检测装置为一体性结构；上述装置的工作状态由控 制终端进行控制；终端控制的输出端连接信号发生器的输入端；信号发生器将产生的信号送入功率放大器放大；上述驱动电极连接功率放大器输出的探针；上述检测电极由探针引出，接入振幅测量电路输入端；该检测电路的输出端连接控制终端的输入端。
【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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