專利名稱：平行板電容驅(qū)動(dòng)的mems彎曲扭轉(zhuǎn)疲勞實(shí)驗(yàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種平行板電容驅(qū)動(dòng)的MEMS彎曲扭轉(zhuǎn)疲勞實(shí)驗(yàn)裝置，用于多軸應(yīng)力環(huán)境下MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微機(jī)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)：
MEMS(Micro Electromechanical System，即微電子機(jī)械系統(tǒng))是指集微型傳感器、執(zhí)行器以及信號(hào)處理和控制電路、接口電路、通信和電源于一體的微型機(jī)電系統(tǒng)。概括起來，MEMS具有以下幾個(gè)基本特點(diǎn)，微型化、智能化、多功能、高集成度和適于大批量生產(chǎn)。
MEMS的技術(shù)基礎(chǔ)可以分為以下幾個(gè)方面1、設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)；2、材料與加工技術(shù)；3、封裝與裝配技術(shù)；4、測(cè)量與檢測(cè)技術(shù)；5、集成與系統(tǒng)技術(shù)等。在測(cè)量與檢測(cè)技術(shù)中，宏觀狀態(tài)下屬于脆性材料的硅在微納米尺度下會(huì)產(chǎn)生疲勞特性，對(duì)于發(fā)生這種變化的機(jī)理目前還不太明確。了解這種機(jī)理并測(cè)量硅在微米尺度下的疲勞特性參數(shù)對(duì)于MEMS可靠性設(shè)計(jì)及壽命預(yù)測(cè)有著重要的意義。
目前存在的一些用于MEMS結(jié)構(gòu)材料性能的檢測(cè)裝置多使用了梳狀驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行橫向的靜電驅(qū)動(dòng)，因此僅僅能夠模擬MEMS結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的單相應(yīng)力工作環(huán)境，由于橫向驅(qū)動(dòng)的約束性，無法模擬MEMS結(jié)構(gòu)同時(shí)受到彎曲和扭轉(zhuǎn)作用的真實(shí)應(yīng)力環(huán)境。
因此為了滿足MEMS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求，必須引入新的小型化的精密測(cè)量裝置來研究其彎曲扭轉(zhuǎn)多軸疲勞失效特性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的根本目的是通過合理的設(shè)置平行板電容驅(qū)動(dòng)器，并利用其可以產(chǎn)生垂直驅(qū)動(dòng)的特性，對(duì)疲勞試樣同時(shí)施加彎曲和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，從而使其處在典型的多軸應(yīng)力環(huán)境下。同時(shí)通過平行板電容傳感器的使用，來獲得試樣的振動(dòng)幅度數(shù)據(jù)。
平行板電容驅(qū)動(dòng)的MEMS彎曲扭轉(zhuǎn)疲勞實(shí)驗(yàn)裝置，主要包括有第一驅(qū)動(dòng)電極1、第二驅(qū)動(dòng)電極10、接地電極4、檢測(cè)電極8、實(shí)驗(yàn)試樣5、由第一底電極2和第一上級(jí)板34組成的第一平行板電容3、第二底電極7和第二上級(jí)板35組成的第二平行板電容6、第三底電極9和第三上級(jí)板33組成的第三平行板電容12。其中，實(shí)驗(yàn)試樣5為一端固定于接地電極4的懸臂梁，另一端與第三平行板電容12的第三上極板33連接，試樣5的中部設(shè)有與其垂直的橫梁，橫梁的一端與第一平行板電容3的第一上極板34相連，橫梁的另一端與第二平行板電容6的第二上級(jí)板35相連。第一上級(jí)板34、第二上級(jí)板35、第三上級(jí)板33、實(shí)驗(yàn)試樣5及其橫梁連為一體且在接地電極4的固定層的支撐下懸空。第一底電極2通過第一驅(qū)動(dòng)電極1通交流電，第三底電極9通過驅(qū)動(dòng)電極接交流電。第二底電極7通過第二檢測(cè)電極8接外部振幅檢測(cè)電路來獲得實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)驗(yàn)試樣5得振動(dòng)幅度，第一上級(jí)板34、第二上級(jí)板35、第三上級(jí)板33、實(shí)驗(yàn)試樣5通過接地電極4接地。
所述的實(shí)驗(yàn)試樣5的上平面開有三角形的缺口來使疲勞現(xiàn)象易于觀察。
所述的接地電極4從上到下依次為金屬層24、多晶硅結(jié)構(gòu)層25、固定層26。
通過在懸置平板下面設(shè)有凸起，防止懸置部分與基底黏附。三個(gè)平行板電容的下極板為固定的底電極。
本發(fā)明利用平行板電容驅(qū)動(dòng)器可以進(jìn)行垂直驅(qū)動(dòng)的特性使實(shí)驗(yàn)試樣同時(shí)受到彎曲和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的作用，克服了靜電梳狀驅(qū)動(dòng)方式只能夠?qū)崿F(xiàn)橫向驅(qū)動(dòng)的不足。本發(fā)明通過第一平行板電容3和第三平行板電容12來實(shí)現(xiàn)對(duì)疲勞試樣的的彎曲和扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，使其處在彎曲和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力環(huán)境下。當(dāng)通過第一驅(qū)動(dòng)電極1、第二驅(qū)動(dòng)電極10分別對(duì)第一底電極2、第三底電極9施加交流電時(shí)，第一平行板電容3、第三平行板電容12的上級(jí)板會(huì)受到垂直方向的靜電力的作用，當(dāng)該電信號(hào)頻率達(dá)到平行板電容的固有頻率后，平行板電容將達(dá)到共振。在第一上級(jí)板34、第三上級(jí)板33的帶動(dòng)下實(shí)驗(yàn)試樣5同時(shí)受到了交變的彎曲和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，這樣疲勞試樣就處在典型的多軸應(yīng)力環(huán)境下。實(shí)驗(yàn)過程中，第一上級(jí)板34、第三上級(jí)板33的振動(dòng)帶動(dòng)第二上級(jí)板35和第二底電極7之間電容的變化，第二底電極7通過檢測(cè)電極8接外部振幅檢測(cè)電路從而實(shí)時(shí)的獲得試樣的振動(dòng)幅度。同時(shí)在試樣上方設(shè)置高倍光學(xué)顯微鏡和CCD攝相機(jī)來觀察實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行情況，根據(jù)測(cè)得的振動(dòng)幅度推算出試樣的扭轉(zhuǎn)角度，最后用有限元方法求得試樣所受的應(yīng)力水平。為了提高試樣所受應(yīng)力水平，縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間，在試樣中間上平面開了三角型的缺口，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)用了該裝置的共振特性。
本發(fā)明的有益效果1、本發(fā)明采用平行板電容結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了垂直靜電驅(qū)動(dòng)，克服了傳統(tǒng)梳狀靜電驅(qū)動(dòng)器只能實(shí)現(xiàn)橫向驅(qū)動(dòng)的不足。
2、本發(fā)明采用兩個(gè)平行板電容驅(qū)動(dòng)器分別對(duì)試樣進(jìn)行彎曲和扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，并且互不影響，客服了現(xiàn)有裝置只能模擬MEMS構(gòu)件單相應(yīng)力工作環(huán)境的不足。
3、該裝置針對(duì)平行板電容驅(qū)動(dòng)器的垂直驅(qū)動(dòng)特性，將懸臂梁試樣的缺口開在其上表面，而非側(cè)面。
4、平行板電容靜電驅(qū)動(dòng)器，可以產(chǎn)生較大的靜電力，達(dá)到能夠進(jìn)行疲勞實(shí)驗(yàn)的要求。
5、實(shí)驗(yàn)試樣與驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)裝置連于一體，免去了夾持與對(duì)中的麻煩，具有加工容易，操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。
6、該裝置具有加工簡(jiǎn)單，操作方便，容易獲取真實(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，真實(shí)模擬MEMS構(gòu)件的多軸應(yīng)力環(huán)境等特點(diǎn)，因此對(duì)處于微尺度的MEMS構(gòu)件的扭轉(zhuǎn)疲勞特性的研究具有很高的價(jià)值。


圖1平行板電容驅(qū)動(dòng)MEMS彎曲扭轉(zhuǎn)疲勞特性實(shí)驗(yàn)裝置正面全局2平行板電容驅(qū)動(dòng)MEMS彎曲扭轉(zhuǎn)疲勞特性實(shí)驗(yàn)裝置立體結(jié)構(gòu)3平行板電容驅(qū)動(dòng)MEMS彎曲扭轉(zhuǎn)疲勞特性實(shí)驗(yàn)裝置剖視4該裝置的實(shí)驗(yàn)裝配中1、第一驅(qū)動(dòng)電極，2、第一底電極3、第一平行板電容，4、接地電極，5、實(shí)驗(yàn)試樣，6、第二平行板電容，7、第二底電極，8、檢測(cè)電極，9、第三底電極，10、第二驅(qū)動(dòng)電極，11、凸起，12、第三平行板電容，21、第一驅(qū)動(dòng)電極的金屬層，22、第一驅(qū)動(dòng)電極的結(jié)構(gòu)層，23、第一驅(qū)動(dòng)電極的固定層，24、接地電極的金屬層，25、接地電極的結(jié)構(gòu)層，26、接地電極的固定層，27，檢測(cè)電極的固定層，28、檢測(cè)電極的結(jié)構(gòu)層，29、檢測(cè)電極的金屬層，30，第二驅(qū)動(dòng)電極的固定層，31、第二驅(qū)動(dòng)電極的結(jié)構(gòu)層，32、第二驅(qū)動(dòng)電極的金屬層，33、第三上級(jí)板，34、第一上級(jí)板，35、第二上級(jí)板，42、由5、25、33、34、35構(gòu)成的該裝置的主要結(jié)構(gòu)層，43、試樣試樣的缺口。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合圖1～4詳細(xì)說明本實(shí)施例。
圖1中的第一平行板電容3、第二平行板電容6、第三平行板電容12均由懸置平板和底電級(jí)組成。懸置平板34、35、33分別為電容3、6、12的上極板，底電極2、7、9分別為電容3、6、12的下極板。實(shí)驗(yàn)過程中懸置平板34、35、33通過接地電極4接地。底電極2、9分別通過第一驅(qū)動(dòng)電極1和第二驅(qū)動(dòng)電極10接交流電。這樣在底電極2、9和懸置平板34、33之間就產(chǎn)生了變化的電場(chǎng)，使懸置平板34，33受到垂直方向的交變靜電力，當(dāng)該靜電力的頻率與懸置平板的固有頻率相當(dāng)時(shí)將發(fā)生共振。試樣5在懸置平板34，33的帶動(dòng)下，受到彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的同時(shí)作用。
如圖2、圖3所示，接地電極4的最上層為金屬層24，在金屬層的下面為多晶硅結(jié)構(gòu)層25，在多晶硅結(jié)構(gòu)層的下面為固定層26。42為該實(shí)驗(yàn)裝置的主要多晶硅結(jié)構(gòu)層，實(shí)驗(yàn)試樣5及其橫梁、懸置平板即第一上級(jí)板34、第二上級(jí)板35、第三上級(jí)板33、接地電極的結(jié)構(gòu)層25均位于該層并且連為一體。該多晶硅結(jié)構(gòu)層在接地電極4的固定層25的支撐下懸空。懸置平板33、34、35和疲勞實(shí)驗(yàn)試樣5均懸置。11為凸起層，防止懸置部分與基底黏附。
檢測(cè)電極8接直流電，第一上級(jí)板34、第三上級(jí)板33的振動(dòng)帶動(dòng)第二上級(jí)板板35和第二底電極7之間電容的變化。這種變化通過振幅檢測(cè)電路測(cè)出，再交給計(jì)算機(jī)或單板機(jī)微處理器的相應(yīng)軟件進(jìn)行分析處理便能間接測(cè)量出振動(dòng)平板的振動(dòng)幅度進(jìn)而推出懸臂梁試樣的扭轉(zhuǎn)角度，該測(cè)量結(jié)果可設(shè)置在實(shí)驗(yàn)試樣5上方的顯微鏡的觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，檢驗(yàn)其正確性。
如圖4所示，本實(shí)施例為利用上述平行板電容驅(qū)動(dòng)MEMS彎曲扭轉(zhuǎn)疲勞特性研究裝置所設(shè)計(jì)的微機(jī)械疲勞特性試驗(yàn)方案，整個(gè)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(jī)械加工的工藝要求，平行板電容驅(qū)動(dòng)MEMS彎曲扭轉(zhuǎn)疲勞特性研究裝置65的結(jié)構(gòu)如圖1～圖3所示。
本實(shí)施例主要由平行板電容驅(qū)動(dòng)MEMS彎曲扭轉(zhuǎn)疲勞特性研究裝置操作臺(tái)70，終端控制裝置61，與終端控制裝置連接的兩個(gè)信號(hào)發(fā)生器62和73，和將信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)進(jìn)行放大的功率放大器63和71，以及與終端控制裝置輸入端相連的振幅測(cè)量電路72組成。
其中，平行板電容驅(qū)動(dòng)MEMS彎曲扭轉(zhuǎn)疲勞特性研究裝置操作臺(tái)70，包括平行板電容驅(qū)動(dòng)MEMS彎曲扭轉(zhuǎn)疲勞特性研究裝置65和與其相連接的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)探針66、44和檢測(cè)探針67，以及顯微鏡68和設(shè)在該顯微鏡上的CCD攝像機(jī)69。在操作臺(tái)70上，其電路連接由操作臺(tái)上的驅(qū)動(dòng)探針66、44和檢測(cè)探針67提供。實(shí)驗(yàn)試樣5上方放有顯微鏡68，顯微鏡上方裝有CCD攝像機(jī)69，用于觀測(cè)懸置平板的振幅及試驗(yàn)的進(jìn)行情況。信號(hào)發(fā)生器62和73產(chǎn)生的具有固定頻率的正弦信號(hào)分別通過功率放大器63和71放大后由驅(qū)動(dòng)探針64和66接入平行板電容驅(qū)動(dòng)MEMS彎曲扭轉(zhuǎn)疲勞特性研究裝置65中的第一驅(qū)動(dòng)電極1和第二驅(qū)動(dòng)電極10，接地電極4通過探針接地，檢測(cè)電極8通過探針67引出，接入振幅測(cè)量電路，最后接入計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理。
最后應(yīng)說明的是以上實(shí)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(shù)方案；因此，盡管本說明書參照上述的各個(gè)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明已進(jìn)行了詳細(xì)的說明，但是，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，仍然可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行修改或等同替換；而一切不脫離實(shí)用新型的精神和范圍的技術(shù)方案及其改進(jìn)，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.平行板電容驅(qū)動(dòng)的MEMS彎曲扭轉(zhuǎn)疲勞實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于主要包括有第一驅(qū)動(dòng)電極(1)、第二驅(qū)動(dòng)電極(10)、接地電極(4)、檢測(cè)電極(8)、實(shí)驗(yàn)試樣(5)、由第一底電極(2)和第一上級(jí)板(34)組成的第一平行板電容(3)、第二底電極(7)和第二上級(jí)板(35)組成的第二平行板電容(6)、第三底電極(9)和第三上級(jí)板(33)組成的第三平行板電容(12)；其中，實(shí)驗(yàn)試樣(5)為一端固定于接地電極(4)的懸臂梁，另一端與第三平行板電容(12)的第三上極板(33)連接，試樣(5)的中部設(shè)有與其垂直的橫梁，橫梁的一端與第一平行板電容(3)的第一上極板(34)相連，橫梁的另一端與第二平行板電容(6)的第二上級(jí)板(35)相連；第一上級(jí)板(34)、第二上級(jí)板(35)、第三上級(jí)板(33)、實(shí)驗(yàn)試樣(5)及其橫梁連為一體且在接地電極(4)的固定層的支撐下懸空，該整體通過接地電極(4)接地；第一底電極(2)通過第一驅(qū)動(dòng)電極(1)通交流電，第三底電極(9)通過驅(qū)動(dòng)電極接交流電；第二底電極(7)通過第二檢測(cè)電極(8)接外部振幅檢測(cè)電路來獲得實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)驗(yàn)試樣(5)得振動(dòng)幅度，第一上級(jí)板(34)、第二上級(jí)板(35)、第三上級(jí)板(33)、實(shí)驗(yàn)試樣(5)通過接地電極(4)接地。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平行板電容驅(qū)動(dòng)的MEMS彎曲扭轉(zhuǎn)疲勞實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于實(shí)驗(yàn)試樣(5)的上平面開有三角形的缺口。
全文摘要
本發(fā)明是一種平行板電容驅(qū)動(dòng)的MEMS彎曲扭轉(zhuǎn)疲勞實(shí)驗(yàn)裝置，屬于微納米尺度材料特性基礎(chǔ)研究領(lǐng)域。該裝置通過兩個(gè)平行板電容驅(qū)動(dòng)器(3、12)分別實(shí)現(xiàn)對(duì)疲勞試樣(5)的彎曲和扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)。疲勞試樣(5)一端與接地電極(4)連接，另一端與第三平行板電容驅(qū)動(dòng)器(12)的上極板連接。試樣(5)中部的與其垂直的橫梁的一端與第一平行板電容驅(qū)動(dòng)器(3)的上極板相連，另一端與平行板電容傳感器的上極板相連，平行板電容傳感器的下極板通過檢測(cè)電極接外部振幅檢測(cè)電路從而實(shí)時(shí)的獲得試樣的振動(dòng)幅度。本發(fā)明采用兩個(gè)平行板電容驅(qū)動(dòng)器分別對(duì)試樣進(jìn)行彎曲和扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，并且互不影響，克服了現(xiàn)有裝置只能模擬MEMS構(gòu)件單相應(yīng)力工作環(huán)境的不足。
文檔編號(hào)G01M99/00GK1945270SQ20061011443
公開日2007年4月11日 申請(qǐng)日期2006年11月10日 優(yōu)先權(quán)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(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)