[實用新型]平行板電容驅(qū)動的微結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)疲勞實驗裝置

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200620158418.6
• 申請日: 2006-11-10
• 公開（公告）號: CN200975967Y
• 公開（公告）日: 2007-11-14
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 尚德廣;賈冠華;李立森;王瑞杰;孫國芹;鄧靜;劉豪
• 申請（專利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G01N3/22
• 分類號: G01N3/22;G01N3/08;G01M19/00
• 代理公司: 北京思海天達(dá)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司
• 代理人: 沈波

技術(shù)領(lǐng)域

本實用新型涉及一種平行板電容驅(qū)動的微結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)疲勞實驗裝置，用于扭轉(zhuǎn)應(yīng)力環(huán)境下MEMS(Micro-Electro-Mechanical?System，微機電系統(tǒng))多晶硅結(jié)構(gòu)疲勞特性的研究，屬于微納米尺度材料特性基礎(chǔ)研究領(lǐng)域。

背景技術(shù)

微電子機械系統(tǒng)(Micro?Electro?Mechanical?System)，簡稱MEMS，是在微電子技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的集微型機械、微傳感器、微執(zhí)行器、信號處理、智能控制于一體的一項新興的科學(xué)領(lǐng)域。它將常規(guī)集成電路工藝和微機械加工獨有的特殊工藝相結(jié)合，涉及到微電子學(xué)、機械設(shè)計、自動控制、材料學(xué)、光學(xué)、力學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、聲學(xué)和電磁學(xué)等多種工程技術(shù)和學(xué)科，是一門多學(xué)科的綜合技術(shù)。

在過去的幾十年里，單晶硅和多晶硅薄膜被廣泛的應(yīng)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。

目前存在的一些用于MEMS結(jié)構(gòu)材料性能的檢測裝置多使用了梳狀驅(qū)動器進(jìn)行橫向的靜電驅(qū)動，因此僅僅能夠模擬MEMS結(jié)構(gòu)拉伸和彎曲的工作環(huán)境，由于橫向驅(qū)動的約束性，無法模擬MEMS結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)受力。

因此，為了滿足MEMS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求，必須引入新的小型化的精密測量裝置來研究其扭轉(zhuǎn)受力疲勞失效特性。

實用新型內(nèi)容

本實用新型的根本目的是：提供了一種平行板電容驅(qū)動MEMS扭轉(zhuǎn)疲勞特性研究裝置，來模擬MEMS微結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)受力工作環(huán)境和應(yīng)力狀態(tài)，進(jìn)而研究MEMS結(jié)構(gòu)材料多晶硅的扭轉(zhuǎn)疲勞特性。

本實用新型采用了如下技術(shù)方案。主要包括有驅(qū)動電極1、檢測電極2、左側(cè)實驗試樣7、右側(cè)實驗試樣8、第一底電極5、第二底電極6、連為一體的第一懸置平板9和第二懸置平板10。其中，在第一懸置平板9和第二懸置平板10之間的中軸線的兩端并沿著中軸線的方向開有缺口，缺口處設(shè)置有左側(cè)實驗試樣7和右側(cè)實驗試樣8，左側(cè)實驗試樣7和右側(cè)實驗試樣8的一端與兩個懸置平板之間的中軸線相聯(lián)，另一端分別連到左固定塊3和右固定塊4上，由第一懸置平板9、第二懸置平板10及左側(cè)實驗試樣7和右側(cè)實驗試樣8組成的懸置部分通過左固定塊3和右固定塊4固定懸置并通過右固定塊4與接地電極11相連。第一懸置平板9和設(shè)置在其下方的第一底電極5組成平行板電容驅(qū)動器，第二懸置平板10和設(shè)置在其下方的第二底電極6組成平行板電容傳感器。接地電極1接地第一底電極5通過驅(qū)動電極1接交流電，第二底電極6通過檢測電極2與外部振幅檢測電路相連，用于檢測懸臂梁試樣的扭轉(zhuǎn)角度。在懸臂梁試樣7和8上開有缺口。第一底電極5、第二底電極6都與硅基底固定。

本實用新型中的第一懸置平板9、第二懸置平板10及左側(cè)實驗實樣7和右側(cè)實驗試樣8連為一體并通過接地電極11接地，第一底電極5和第一懸置平板9組成平行板驅(qū)動電容。實驗過程中，驅(qū)動電極1通過探針接交流電信號，接地電極11接地。由于第一底電極5和驅(qū)動電極1相連，第一懸置平板9通過懸臂梁試樣8和右固定塊4接到接地電極11，這樣在由第一懸置平板9和位于其正下方的第一底電極5構(gòu)成的平行板電容之間就產(chǎn)生交變的靜電力。由于第一底電極固定在硅基底上，所以第一懸置平板9就受到了垂直方向靜電力的驅(qū)動。這樣試樣7在平行板的帶動下就受到了扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的作用。當(dāng)該靜電力的頻率與第一懸置平板的固有頻率相當(dāng)時，懸置平板將發(fā)生共振，從而始懸臂梁試樣7內(nèi)部產(chǎn)生周期性的扭轉(zhuǎn)載荷，使試樣7和8處于典型的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力狀態(tài)下。

檢測電極2接直流電，第一懸置平板9的振動將帶動第二懸置平板10和第二底電極6之間電容的變化，通過感測電路測出這種變化，再交給計算機或單板機微處理器的相應(yīng)軟件進(jìn)行分析處理便能間接測量出振動塊的振動幅度進(jìn)而推出懸臂梁試樣的扭轉(zhuǎn)角度。同時，還通過設(shè)置平行板電容傳感器和在懸臂梁試樣7(或8)上方的顯微鏡來測量懸置平板的振動幅度并觀察實驗的進(jìn)行情況，根據(jù)測得的振動幅度推算出試樣的扭轉(zhuǎn)角度。該測量結(jié)果可與通過平行板電容器測得的結(jié)果進(jìn)行對比，檢驗其正確性。

實驗中，通過在懸臂梁試樣7和8中間開三角型的缺口來使疲勞現(xiàn)象易于觀察。通過設(shè)置在懸置平板下面的凸起，防止懸置部分與基底黏附。整個裝置的結(jié)構(gòu)和各構(gòu)件的尺寸均符合現(xiàn)有表面微機械加工的工藝要求。

本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有明顯的優(yōu)勢和有益效果：