一种基于自激振动原理的微结构疲劳试验装置，包括：一个绝缘支撑基座，一个微试件，两个直流驱动电极，一个衬底，其中：绝缘支撑基座不与任何电极相连，也不接地，处于电势浮动状态；微试件的一端固定在上述绝缘支撑基座上，另一端为水平悬空状；两个直流驱动电极保持一定间距，置于微试件两侧并与微试件平行，其中一个电极接入直流正电压，另一个电极接入直流负电压；衬底上固定有所述的绝缘支撑基座和直流驱动电极。本发明专利技术结构简单，不存在夹持和对中困难的问题；无需在微试件上预制缺口或将微试件置于真空环境中，就能够提供足够大的低周疲劳试验载荷；能够以较低成本同时进行多个微试件的疲劳试验，并方便地记录载荷循环数。
【技术实现步骤摘要】
一种基于自激振动原理的微结构疲劳试验装置
本专利技术涉及一种基于自激振动原理的微结构疲劳试验装置，属于微纳米技术基础研究领域。
技术介绍
微机电器件时常经受大冲击、大振动、高温度梯度等恶劣工作条件，此时器件中的微梁、微薄膜等机械部件会产生过大的变形以及应力应变，从而可能引发低周疲劳破坏。因此，在微机电器件设计之初，就应该考虑其机械部件的低周疲劳问题，并进行相应的低周疲劳试验。然而，微结构的尺寸很小，传统的大型疲劳试验装置无法加载，因此需要针对微结构研究新的疲劳试验装置和方法。现有的微结构疲劳试验装置可以分为接触式和非接触式两类。接触式指的是试验装置必须与微试件直接接触才能完成载荷的传递，这类试验装置包括振动台，原子力显微镜，纳米压痕仪等。接触式疲劳试验装置尽管能够提供足够大的载荷，以保证低周疲劳试验的顺利实施，但也存在着试验装置昂贵且体积大、微试件的夹持和对中困难等问题。为解决上述问题，非接触式疲劳试验装置应运而生，其主要利用静电力等非接触力来加载，试验装置成本低且体积小，微试件的夹持和对中也容易控制。然而，现有的非接触式微结构疲劳试验装置同样存在问题，它们大多通过静电驱动平行板或梳齿结构，将交变的载荷传递到微试件上，驱动微试件处于共振状态，以使微试件考核部位发生疲劳破坏。不过由于静电失稳效应（Pull-ineffect）的存在，静电力载荷受到严重制约，因此微试件在此类试验装置下的振幅不够大，通常只有电极间距的1/3，导致试件考核部位的振动应力应变幅值不足以进行低周疲劳试验，具体体现为单根微试件的试验时间往往超过一天。为了加大微试件考核部位的振动应力、提高低周疲劳损伤、从而减低试验时间，目前的方法是在微试件上设计缺口特征，或者将微试件置于真空环境中进行试验。上述方法虽然能够缩短试验时间，但却是以改变（削弱）原有微结构的抗疲劳性能为代价的，这种试验条件和实际工作条件的差异，会影响微结构疲劳试验数据可靠性和有效性，也就无法精确预测微结构在实际工作条件下的寿命。综上所述，微结构疲劳领域亟需一种既能够简单便捷地进行试验（不存在夹持和对中问题），又能保证试验结果精度（不改变微结构原有结构特征和工作条件）的疲劳试验装置。
技术实现思路
本专利技术技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于自激振动原理的微结构疲劳试验装置，其既解决了接触式试验装置成本高、夹持和对中困难的问题，又改善了现有非接触式试验装置的加载载荷不足的问题。本专利技术技术解决方案：基于自激振动原理的微结构疲劳试验装置，具体包括：一个绝缘支撑基座，该绝缘支撑基座既不与任何电极相连，也不接地，处于电势浮动状态；一个导电的微试件，该微试件的一端固定在上述绝缘支撑基座上，另一端为水平悬空状，微试件可以保持其在微机电器件中原来的结构特征；两个直流驱动电极，置于微试件两侧且与微试件平行，电极高度略低于绝缘支撑基座，其中一个直流驱动电极接入直流正电压，另一个直流驱动电极接入直流负电压，两电极之间保持一定的间距；一个衬底，所述绝缘支撑基座和直流驱动电极均固定在该衬底上。通过在两个直流驱动电极之间串联一个电阻，在电阻上并联一个示波器和计数器，实现载荷循环数的监测和记录。所述微试件可以是微悬臂梁、微简支梁、微薄膜等不同形式的微结构，横截面可以是方形、圆形、椭圆等不同形状，制备材料可以是各种导电材料，如硅、金、铝、铜、形状记忆合金等。所述直流驱动电极为柱体，其横截面可以是多种形状，包括矩形、圆柱形或椭圆形。所述绝缘支撑基座和衬底材料为多种绝缘材料，包括聚酰亚胺、硅橡胶或光刻胶。所述微试件为直径25-26μm的微悬臂梁时，其长度为15-20mm。所述直流驱动电极为直径为3mm的圆柱形时，电极中的一个直流驱动电极接入正的直流电压，范围为0～+3000V，另一个直流驱动电极则接入负的直流电压，范围为0～-3000V，电极之间保持的间距为8-15mm。所述直流驱动电极为直径为3mm的圆柱形时，其绝缘支撑基座的高度为3-3.5mm。可以通过改变两电极的横截面、间距、以及直流电源输出，来调节微试件上的循环载荷幅值。经过理论计算和试验研究，当微试件的长径比（长度与直径之比）为250-1000，电极间距与微梁长度之比为0.3-0.6时，本专利技术能够在没有交流驱动信号的情况下，仅依靠直流电压，驱动微试件始终处于一阶固有频率附近的共振状态，微试件的振动幅值能够达到电极间距的2倍以上。从结构动力学角度来讲，微试件在本专利技术产生的静电场中通过自身运动状态的反馈作用调节能量输入，属于一种“自激振动”。本专利技术与现有技术相比的优点在于：（1）与现有接触式疲劳试验装置相比，本专利技术的加载结构结构简单，大小与微试件相当，不存在夹持和对中困难的问题。（2）与现有非接触式疲劳试验装置相比，本专利技术能够使微试件处于大幅自激振动状态，加载载荷足够大，能够满足低周疲劳试验的要求，而不需要采用设计缺口特征、置于真空环境等方法，保证了疲劳试验的精度。（3）与现有非接触式疲劳试验装置相比，本专利技术极大地简化了载荷循环监测和记录装置。现有非接触式试验装置是通过探测微试件和电极间微弱的电容变化（输出信号）来间接监测载荷循环。由于输出信号和驱动信号为同频率的交流信号，且输出信号极为微弱，时常遇到驱动信号与输出信号不好区分的难题。而本专利技术的驱动信号是直流电，不会对交流输出信号产生干扰。在两直流驱动电极之间的电路中串联一个电阻，即可得到输出信号波形，并记录载荷循环数。（4）本专利技术能够以较低成本同时进行多个试件的疲劳试验。现有的疲劳试验装置往往采用交流驱动方式，并通过频率检测和反馈电路，将微试件维持在共振状态，若要同时进行N个试件的疲劳试验，就必须配备N套交流驱动和频率检测和反馈电路。而本专利技术采用的直流驱动方式，微结构处于自激振动状态，因此很容易将N个试验装置并联在一个直流电源下进行试验，免去了上述的N套交流驱动和频率检测和反馈电路，可最大限度地节省试验成本。附图说明图1为本专利技术的结构俯视图；图2为本专利技术的结构右视图；图3为本专利技术的整体试验系统示意图（包含驱动和循环记录装置）；图4为本专利技术的脉冲输出试验数据图；图5为本专利技术的疲劳试验方案示意图；图6为本专利技术同时进行多个微试件疲劳试验的示意图。具体实施方式如图1、2所示，本专利技术提供一种基于自激振动原理的微结构疲劳试验装置，包括：一个绝缘支撑基座1（本实施例中为长方体，长*宽*高为6mm*3mm*3.3mm），该绝缘支撑基座不与任何电极相连，也不接地，处于电势浮动状态；一个导电的微试件2（本实施例中为圆柱体，长15-20mm，直径20-60μm），该微试件2的一端固定在上述绝缘支撑基座1上，另一端为水平悬空状；两个直流驱动电极3（本实施例中为圆柱体，直径为3mm，长为20mm），两个电极3与微试件平行，并保持一定间距（8-10mm），其中一个电极接入正的直流电压（0～+3000V），另一个电极则接入负的直流电压（0～-3000V）；一个衬底4（长*宽为30mm*30mm），上述的一个绝缘支撑基座1和两个直流驱动电极3均固定在该衬底4上。本专利技术的工作原理是基于微试件在静电场中的自激振动现象，具体为：将两个直流驱动电极3分别与直流电源的正极和负极相连，此时两电极3之间会产生一个稳定静电场；在该静电本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于自激振动原理的微结构疲劳试验装置，包括：一个绝缘支撑基座，一个微试件，两个直流驱动电极，一个衬底，其特征在于：所述的绝缘支撑基座不与任何电极相连，也不接地，处于电势浮动状态；所述的微试件是导电的，其一端固定在上述绝缘支撑基座上，另一端为水平悬空状；所述的两个直流驱动电极保持一定间距，置于微试件两侧并与微试件平行，其中一个电极接入直流正电压，另一个电极接入直流负电压；所述的衬底上固定有前述的绝缘支撑基座和直流驱动电极。
【技术特征摘要】
1.一种基于自激振动原理的微结构疲劳试验装置，包括：一个绝缘支撑基座，一个微试件，两个直流驱动电极，一个衬底，其特征在于：所述的绝缘支撑基座不与任何电极相连，也不接地，处于电势浮动状态；所述的微试件是导电的，其一端固定在上述绝缘支撑基座上，另一端为水平悬空状；所述的两个直流驱动电极保持一定间距，置于微试件两侧并与微试件平行，其中一个电极接入直流正电压，另一个电极接入直流负电压；所述的衬底上固定有前述的绝缘支撑基座和直流驱动电极；所述绝缘支撑基座高度略高于直流驱动电极，这样微试件在与直流驱动电极的接触过程中，将会从直流电极的表面滑过并继续向前运动，而不会被直流驱动电极阻挡然后立即反向；当微试件的长径比即长度与直径之比为250-1000，电极间距与微梁长度之比为0.3-0.6时，在没有交流驱动信号的情况下，仅依靠直流电压，驱动微试件始终处于一阶固有频率附近的共振状态，微试件的振动幅值能够达到电极间距的2倍以上，足以满足低周疲劳试验的需求；当所述直流驱动电极为直径为3mm的圆柱体时，电极中的一个直流驱动电极接入正的直流电压，范围为0～+3000V，另一个直流驱动电极则接入负的直流电压，范围为0～-3000V，电极之间保持的间距为8-15mm；当所述直流驱动电极为直径为3mm的圆柱形时，所述绝缘支撑基座的高度为3-3.5mm；为了进一步节省试验时间，可以将N个上述的试验装置并联...
【专利技术属性】
技术研发人员：闫晓军，漆明净，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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