[實用新型]MEMS拉伸扭轉(zhuǎn)疲勞特性實驗裝置

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200620158419.0
• 申請日: 2006-11-10
• 公開（公告）號: CN200993629Y
• 公開（公告）日: 2007-12-19
• 發(fā)明（設計）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）人: 北京工業(yè)大學
• 主分類號: G01N3/22
• 分類號: G01N3/22;G01N3/08;G01M19/00
• 代理公司: 北京思海天達知識產(chǎn)權代理有限公司
• 代理人: 沈波

技術領域

本實用新型涉及一種MEMS拉伸扭轉(zhuǎn)疲勞特性實驗裝置，用于多軸應力環(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

研究發(fā)現(xiàn)，在宏觀狀態(tài)下屬于脆性材料的硅在微納米尺度下會產(chǎn)生疲勞特性，對于發(fā)生這種變化的機理目前還不太明確。了解這種機理并測量硅在微米尺度下的疲勞特性參數(shù)對于MEMS可靠性設計及壽命預測有著重要的意義。

在當前MEMS所能達到的尺度下，由于尺寸縮小帶來的影響(ScalingEffects)，許多物理現(xiàn)象與宏觀世界有很大區(qū)別，因此有必要對微動力學、微流體力學、微熱力學、微摩擦學、微光學和微結構學進行深入的研究。這一方面的研究雖然受到重視，但難度較大。

傳統(tǒng)宏觀尺度下的疲勞試驗一般由專用的材料疲勞試驗機進行，主要有液壓、電磁等驅(qū)動方式，標準試樣用卡頭裝夾于其中。但這種方法并不適用于MEMS疲勞特性的研究，首先，液壓、電磁力的驅(qū)動方式在微米級尺寸狀態(tài)下不適用，其次，微米尺寸試樣的夾持與對中操作起來極其困難，甚至不可能完成。鑒于微機械構件常工作于拉伸和扭轉(zhuǎn)同時作用的多軸應力狀況下，有必要設計一種用于微構件疲勞特性研究的拉伸扭轉(zhuǎn)拉多軸疲勞試驗裝置，而且這種裝置能夠由現(xiàn)有的MEMS加工方法加工出來。

實用新型內(nèi)容

本實用新型的根本目的是：綜合靜電梳狀驅(qū)動器的橫向驅(qū)動和平行板電容驅(qū)動器垂直驅(qū)動的特點設計一種集成了靜電梳狀驅(qū)動器和平行板電容驅(qū)動器的MEMS拉伸扭轉(zhuǎn)多軸疲勞特性實驗裝置。同時利用平行板電容傳感器和梳狀電容傳感器原理，通過檢測實驗過程中電容的變化，來獲得試樣拉伸和扭轉(zhuǎn)的幅度。

本實用新型的基本思路如下：

該裝置通過平行板電容和梳齒電容的合理組合，使平行板電容的垂直拉伸驅(qū)動和梳狀電容的扭轉(zhuǎn)驅(qū)動在同一個裝置內(nèi)同時進行而互不影響。達到了使疲勞試樣同時處于拉伸和扭轉(zhuǎn)應力作用下的目的。該裝置主要組成部分有：平行板電容驅(qū)動器，平行板電容傳感器，梳狀電容驅(qū)動器，梳狀電容傳感器，接地電極，拉伸驅(qū)動電極，扭轉(zhuǎn)驅(qū)動電極，拉伸檢測電極，扭轉(zhuǎn)檢測電極。試驗試驗11由上下兩個半徑不同的圓柱體組成，兩個圓柱體沿著軸向連接，連接處的臺階71相當于傳統(tǒng)疲勞試樣缺口的作用。疲勞試樣11的下端面固定，上端面與驅(qū)動器和傳感器相連為一體。實驗過程中，通過拉伸驅(qū)動電極和扭轉(zhuǎn)驅(qū)動電極分別為平行板電容驅(qū)動器和梳狀電容驅(qū)動器提供交流電信號，使試樣同時受到拉伸和扭轉(zhuǎn)應力。平行板電容傳感器和梳狀電容傳感器分別通過拉伸檢測電極和扭轉(zhuǎn)檢測電極接直流電，可以檢測試樣的拉伸和扭轉(zhuǎn)幅度。

具體所采用的技術方案如下。疲勞試樣11位于圓心處，疲勞試樣11的上端面支撐有四個沿圓周方向分布的扇形懸置平板，即第一懸置平板40、第二懸置平板44、第三懸置平板42、第四懸置平板301，四個懸置平板與疲勞試樣11為一個整體并通過疲勞試樣11下面的底電極與接地電極1相連而接地；其中的三個懸置平板40、44、42的下面都設置有與之對應的底電極41、45、43構成三個平行板電容器4、13、8，第一平行板電容器4、第二平行板電容器13的底電極41、45通過拉伸驅(qū)動電極14接交流電，構成一對平行板電容驅(qū)動器，使疲勞試驗11受到拉伸應力；第三平行板電容8的底電極43通過拉伸檢測電極9與振幅檢測電路相連構成平行板電容傳感器，用于檢測疲勞試樣11拉伸的幅度；在第三懸置平板42、第四懸置平板301的沿半徑方向的兩個側面分別設置有懸置梳齒304、306、302、308，四個懸置梳齒分別與四個固定梳齒400、404、402、406配合構成四個梳狀電容5、9、2、15，其中，第一固定梳齒404、第二固定梳齒402通過扭轉(zhuǎn)驅(qū)動電極10接交流電，使得第一梳狀電容2、第二梳狀電容9構成一對梳狀電容驅(qū)動器，使疲勞試驗11受到扭轉(zhuǎn)應力；第三梳狀電容5、第四梳狀電容15構成一對梳狀電容傳感器，通過與第三固定梳齒400、第四固定梳齒406相連的扭轉(zhuǎn)檢測電極6接振幅檢測電路，用于檢測疲勞試驗11的扭轉(zhuǎn)程度。

所述的試驗試驗11由上下兩個半徑不同的圓柱體組成，兩個圓柱體沿著軸向連接，連接處的臺階71相當于傳統(tǒng)疲勞試樣缺口的作用。圓柱形疲勞試樣為豎直放置，其所受拉伸應力也為沿試樣軸向的豎直方向，疲勞試樣11的臺階處存在應力集中，，使疲勞現(xiàn)象易于觀察。