微结构双向弯拉疲劳试验装置
专利汇可以提供微结构双向弯拉疲劳试验装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型公开了一种微结构双向弯拉疲劳试验装置，包括有驱动 电极 、检测电极和与之相连接的悬置梳齿单元；在圆心相同但直径不同的数个非闭合圆盘状环臂分布有6个梳齿单元；该梳齿单元分为用来驱动整个悬置结构的驱动组和用来测量悬置结构摆动的幅度的检测组；驱动组和检测组交替分布；每个梳齿单元包含一个悬置梳齿和两个位于悬置梳齿两边的固定梳齿；所有梳齿单元的悬置梳齿通过内侧环臂连于一体并最终与直流电极相连；所有驱动梳齿单元两侧的固定梳齿与驱动电极相连，在驱动电极上分别接入两 频率 相同、 相位 相反交流电；该微疲劳试验结构装置具有加工容易，操作简便等特点，对MEMS结构强度的研究具有很高的实用价值。，下面是微结构双向弯拉疲劳试验装置专利的具体信息内容。
1、一种微结构双向弯拉疲劳试验装置，包括有驱动电极、检测电极和与之相连接 的悬置梳齿单元；其特征在于：
在圆心相同但直径不同的数个非闭合圆盘状环臂分布有数个梳齿单元；该梳齿单元 分为用来驱动整个悬置结构的驱动组和用来测量悬置结构摆动的幅度的检测组；所述的 驱动组和检测组交替分布；
所述的每个梳齿单元包含一个悬置梳齿和两个位于悬置梳齿两边与之夹合的固定 梳齿；
上述所有梳齿单元的悬置梳齿通过内侧环臂连于一体并最终与直流电极相连；
上述所有驱动梳齿单元两侧的固定梳齿最终均与驱动电极相连或通过底电极与驱 动电极相连，在驱动电极上分别接入两频率相同、相位相反以拉动驱动梳齿单元的悬置 梳齿左右摆动的交流电；
上述所有检测梳齿单元两侧的固定梳齿最终均与检测电极相连或通过底电极与检 测电极相连，在该检测电极分别接入两频率相同相位相反的高频载波信号；
在所述内侧环臂与非闭合圆盘状环臂中心之间连接有产生多轴交变应力的试样。
2、根据权利要求1所述的微结构双向弯拉疲劳试验装置，其特征在于所述的梳齿 单元通过设置在环臂下侧的底电极分别与电极连接。
3、根据权利要求1所述的微结构双向弯拉疲劳试验装置，其特征在于所述的悬置 梳齿为6个。
4、根据权利要求1所述的微结构双向弯拉疲劳试验装置，其特征在于所述的电极 为5个；其中包括2个驱动电极，2个检测电极和1个直流电极。
5、根据权利要求1所述的微结构双向弯拉疲劳试验装置，其特征在于所述的各悬 置梳齿端部两侧均设有档块。
6、根据权利要求1所述的微结构双向弯拉疲劳试验装置，其特征在于所述的所述 的试样为根部缺口粱形状。
7、根据权利要求1所述的微结构双向弯拉疲劳试验装置，其特征在于所述的控制 终端为计算机。
8、根据权利要求1所述的微结构双向弯拉疲劳试验装置，所述的控制终端为单板 机微处理器。
技术领域
本实用新型用于MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)结构材 料多晶硅疲劳特性的研究，属于微纳米技术基础研究领域。
背景技术
在当前MEMS所能达到的尺度下，由于尺寸缩小带来的影响(Scaling Effects)， 许多物理现象与宏观世界有很大区别，因此有必要对微动力学、微流体力学、微热力 学、微摩擦学、微光学和微结构学进行深入的研究。这一方面的研究虽然受到重视， 但难度较大。
传统宏观尺度下的疲劳试验一般由专用的材料疲劳试验机进行，主要有液压、电磁 等驱动方式，标准试样用卡头装夹于其中。但这种方法并不适用于MEMS疲劳特性的研 究，首先，液压、电磁力的驱动方式在微米级尺寸状态下不适用，其次，微米尺寸试样 的夹持与对中操作起来极其困难，甚至不可能完成。鉴于微机械构件常工作于双向弯拉 多轴应力状况下，有必要设计一种用于微构件疲劳特性研究的双向弯拉多轴疲劳试验装 置，而且这种装置能够由现有的MEMS加工方法加工出来。
发明内容
本实用新型的目的在于通过提供一种基于静电力驱动的微结构双向弯拉疲劳试验 装置，
以用于MEMS硅微构件双向弯拉疲劳特性的研究。该装置可由MEMS两层多晶硅表面牺牲 层标准工艺加工出来。
本实用新型所采用技术方案的思路是：(1)由相位相反的静电力双向交替驱动， 给分布在圆周的三组相互交错的微结构上的梳齿施加相位相反的交流电以产生周期性 的双向交替静电力，当该静电力的频率与结构的固有频率一致时，微结构的悬置部分将 发生共振，使得联接于振动块上的试样受到周期性的双向弯曲拉伸载荷，以达到双向弯 拉多轴疲劳试验的效果；(2)由电容传感器和显微镜测量悬置部分的振动幅度，电容 传感器由分布在圆周的另外三组梳齿单元来实现，悬置部分的振动将引起这三组梳齿单 元内梳齿之间的电容发生变化，根据电容变化的幅度便可以求出悬置部分振动的幅度， 由该振动幅度可求得试样所受的应力水平；(3)试样、驱动部分和检测部分集成于一 体，免去了试样夹持与对中的麻烦；(4)装置的结构、各部分尺寸及试样的受力环境 必须来自于典型的MEMS构件，这样其研究结果才具有实际意义；(5)装置的制备必须 适合于现有的MEMS加工技术条件，不能存在难于加工或根本无法加工的结构。
本实用新型是采用以下技术手段实现的：
一种微结构双向弯拉疲劳试验装置，包括有驱动电极、检测电极和与之相连接的悬 置梳齿单元；在圆心相同但直径不同的数个非闭合圆盘状环臂分布有数个梳齿单元；该 梳齿单元分为用来驱动整个悬置结构的驱动组和用来测量悬置结构摆动的幅度的检测 组；所述的驱动组和检测组交替分布；
所述的每个梳齿单元包含一个悬置梳齿和两个位于悬置梳齿两边与之夹合的固定 梳齿；
上述所有梳齿单元的悬置梳齿通过内侧环臂连于一体并最终与直流电极相连；
上述所有驱动梳齿单元两侧的固定梳齿最终均与驱动电极相连或通过底电极与驱 动电极相连，在驱动电极上分别接入两频率相同、相位相反以拉动驱动梳齿单元的悬置 梳齿左右摆动的交流电；
上述所有检测梳齿单元两侧的固定梳齿最终均与检测电极相连或通过底电极与检 测电极相连，在该检测电极分别接入两频率相同相位相反的高频载波信号；
在所述内侧环臂与非闭合圆盘状环臂中心之间连接有产生多轴交变应力的试样。
前述的梳齿单元通过设置在环臂下侧的底电极分别与电极连接。
前述的悬置梳齿为6个。
前述的电极为5个；其中包括2个驱动电极，2个检测电极和1个直流电极。
前述的各悬置梳齿端部两侧均设有档块。
前述的与检测电极相连的两频率相同相位相反的交流电为相位相差180°的高频载 波信号。
前述的所述的试样为根部缺口粱形状。
前述的控制终端为计算机。
前述的控制终端为单板机微处理器。
本实用新型与现有技术相比，具有明显的优势和有益效果：
本实用新型微结构双向弯拉疲劳试验装置的结构、各部分尺寸及试样的受力环境来 自于典型的MEMS构件，适用于MEMS标准工艺加工，试样与驱动及检测装置连于一体， 完全避免了微米尺寸疲劳试件在疲劳试验时的夹持与对中的操作。结构的驱动部分和检 测部分分开来分别由不同的两组梳齿单元和电路来承担，避免了它们之间的互相干扰。 由于接入驱动梳齿两侧的交流电相位相反，因此两侧的静电力将轮流对中间的悬置梳齿 产生拉伸作用，造成双向弯曲的效果。试验中，试样处于拉伸、弯曲、剪切多轴受力坏 境中，与MEMS典型结构所处的受力环境类似。另外，指针和刻度盘的引入使得利用显 微镜对梳齿振幅的观测变得更加方便和准确。该微疲劳试验结构装置具有加工容易，操 作简便等特点，对MEMS结构强度的研究具有很高的实用价值，达到了本实用新型所提 出的目的和要求。
附图说明
图1为微结构双向弯拉疲劳试验装置的正面立体图；
图2为微结构双向弯拉疲劳试验装置局部放大图；
图3为微结构双向弯拉疲劳试验装置局部放大图；
图4为微结构双向弯拉疲劳试验装置悬置部分的结构图；
图5为微结构双向弯拉疲劳试验装置试样处的结构图；
图6为各电极结构的剖视图；
图7为试验装配示意图。
具体实施方式
根据该技术方案思路所设计的微结构双向弯拉疲劳试验装置的结构示意图参见图 1、图2、图3、图4、图5，图6所示。图1为正面全局图，图2、图3为主要结构部分 的局部放大图，其最大特征尺寸为1000μm左右，图4为所有悬置振动部分的结构图， 图5为试样处放大后的形貌，图6为电极各层结构的剖视图。整个装置呈圆盘状分布， 1、2、3、4、5为五个电极，其中2、4为驱动电极，分别与环臂6、7相连，1、5为检 测电极，分别与环臂8、9相连，3为直流电极。各电极上均覆盖一层金属，目的是为了 增强导电性，电极结构的剖视图参加图6，共有四层：金属层50、多晶硅结构层51、锚 定层52和底电极层53。六个悬置梳齿单元沿圆周分布，请参阅图2所示，可分为两组， 其中一组为驱动组，另一组为测量组。每个梳齿单元结构基本一样，包含一个悬置梳齿 和两个固定梳齿，其中悬置梳齿位于梳齿单元中间，在与驱动梳齿单元中悬置梳齿连接 的靠近内侧环臂15的带动下可以左右摆动，固定梳齿位于悬置梳齿两边与之夹合。典 型驱动梳齿单元结构见图2，其中31为悬置梳齿，在静电力的驱动下可以左右摆动，位 于两侧与之夹合的梳齿311、312为固定梳齿，通过环臂9、8分别与驱动电极4、1电 学相连。另外两组驱动梳齿单元的悬置梳齿为32、33，与悬置梳齿32夹合的其中一固 定梳齿321通过底电极323与环臂7电学相连，另一固定梳齿322直接与环臂6相连； 与悬置梳齿33夹合的其中一固定梳齿331通过底电极333与环臂7电学相连，另一固 定梳齿332直接与环臂6相连。典型检测梳齿单元结构如图3所示，其中41为悬置活 动梳齿，位于两侧与之夹合的梳齿411、412为固定梳齿，通过其侧壁下边的锚定层固 在底电极层413、414上，其中底电极413、414分别用于固定梳齿411、412与环臂8、 9的电路连接，通过圆盘状分布的环臂8、9将两检测电极1、5与固定电极411、412连 接。另外两组检测梳齿单元的悬置梳齿为42、43，与42夹合的两固定梳齿421、422通 过底电极423、424与外侧环臂8、9相连，与43夹合的两固定梳齿431、432通过底电 极433、434与外环8、9相连。各驱动梳齿单元和检测梳齿单元的中间梳齿31、32、33、 41、42、43均悬置在空中，内环15将这六条悬置着的中间梳齿相连，并通过两根梁17、 27与圆盘中心的固定块19相连，固定块19又通过底电极18与直流电极3电学相连。 整个悬置部分的结构如图4所示，其中包括六个悬置梳齿、连接内环15、两根梁17、 27，整个悬置部分通过中心处的固定块19固定在基底上。联接内环15与固定块19的 两根梁17、27实际上就是试验所要分析的疲劳试样，请参阅图5所示，试样端部设置 了缺口171，目的是为了引入应力集中，加大试样所受的应力水平。各悬置梳齿端部两 侧均设有如图3所示的档块16，以免在振动过程中幅度太大与固定梳齿碰接从而造成短 路。为了便于观测结构的振动幅度，在其中一组悬置梳齿杆的端部设计了指针13和刻 度盘14。
本实用新型所述的微结构双向弯拉疲劳试验装置其工作原理是：驱动电极2、4分 别接入两频率相同相位相反的交流电，电极5接入直流偏置电压。这样在驱动组梳齿单 元中悬置梳齿的两侧将产生周期性的交替静电力，两侧静电力轮流驱动整个悬置部分 (参见图4)产生周向振动，当该静电力的频率与整个悬置结构的平面固有频率相当时 将发生共振，从而带动试样17、27产生周期性的双向弯曲载荷，另外，悬置部分振动 过程中角速度的变化将造成试样17、27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17、27产生多轴交变应力，从而造成试样17、27的疲劳损伤 直至断裂。相位相差180°的高频载波信号分别接入检测电极1、5，通过感测直流偏置 电路的信号变化便可间接测出悬置梳齿的摆动幅度，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。根据该振动幅度算出试样缺口部分所受的应力来研究微尺寸 试件的疲劳特性。
本实用新型的实施例为利用上述微结构双向弯拉疲劳试验装置所设计的微机械疲 劳试验方案。该方案示意图参见图7，主要由终端控制装置200、信号发生器500、功率 放大器400、试验操作台100及振幅测量电路300构成。微结构双向弯拉疲劳试验装置 芯片放于操作台上，其电路连接由操作台上探针120提供，疲劳试样上方放有显微镜140， 在显微镜140上设有CCD摄像机150用于观测悬置梳齿的振动幅度及试验的进行情况。 信号发生器500产生的具有固定频率的正弦信号通过功率放大器400放大后由探针120 接入微结构双向弯拉疲劳试验装置芯片的电极，检测信号由探针130引出，接入振幅测 量电路300，最后输入终端控制装置进行分析处理。需要说明的是终端控制装置可以是 计算机也可以是单板机微处理器。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型而并非限制本实用新型所描述 的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本实用新型已进行了详细的 说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本实用新型进行修改或等同 替换；而一切不脱离实用新型的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本实用 新型的权利要求范围当中。
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