[发明专利]一种基于自激振动原理的微结构疲劳试验装置

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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-in effect）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。

发明内容

本发明技术解决问题：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。

本发明技术解决方案：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。