[发明专利]精密作动/感知双模式一体化的微机械梳齿结构及检测方法

说明书

本发明涉及一种精密作动/感知双模式一体化的微机械梳齿结构及检测方法，属于微机械电子系统领域。包括绝缘体上硅三明治结构，主体器件层由探针、多组接线端子、两组横向静电梳齿结构、两组法向静电梳齿结构I、两组法向静电梳齿结构II和多组弹簧结构组成，静电梳齿结构均由动极板和静极板交互叠加排列而成，动极板与探针构成动子，通过多组弹簧结构与定子相连。优点在于：基于静电驱动与电容检测原理，通过不同极板参数设计的静电梳齿结构，可实现双模式的纳米压痕/划痕测试，具有灵敏度高、可实现连续刚度测试等优点，在生物微机械操作等诸多领域也具有良好的应用前景。

技术领域

本发明涉及微机械电子系统(MEMS)技术领域与精密仪器领域，特别涉及一种精密作动/感知双模式一体化的微机械梳齿结构及检测方法，可用于生物微机械操作、材料性能测试、显微操作和多维度传感测试技术等领域实现超精密加载与传感检测技术。

背景技术

随着新材料合成与制备工艺不断发展，材料力学性能表征测试技术逐渐向样品特征尺寸微小化、无损化的方向发展，促使纳米压痕/划痕技术逐渐趋于仪器化，尤其针对低维材料的力学性能测试采用传统材料力学性能表征手段显然存在诸如样品装夹不便、样品制备复杂等技术缺陷。相比于纳米压痕/划痕测试通过压入载荷和压入深度数据，绘制相应的载荷-深度关系曲线，即可获得硬度、弹性模量、应力-应变曲线、断裂韧性、蠕变特性、界面结合力等丰富的力学信息。

精密驱动(或定位)技术和检测技术是纳米压痕/划痕测试领域的重要支撑技术，利用压电促动器结合柔性铰链放大机构、电磁驱动、静电驱动、伺服电机等方式已广泛应用到各科研院所自制仪器和商业化压痕/划痕仪器，譬如中科院张泰华课题组、吉林大学赵宏伟课题组、澳大利亚IBIS公司、美国KLA-Tencor(原美国Nanomechanics)等公司、瑞士AntonPear公司、德国Bruker(原美国Hysitron)公司、瑞士FEMTO TOOLS公司、德国Zwick公司等；相比于压阻式、感应式、光电式、压电式等应用于精密测量手段，电容检测存在高灵敏度和分辨率、宽带宽、长期工作稳定性好、无漂移且对环境适应性更强，利用差动式电容检测原理实时测试压入深度应用最为广泛；然而检测压入载荷的方式各有差异，比如瑞士AntonPear公司等电磁驱动原理的压入载荷通过所建立的动力学模型计算压入载荷，澳大利亚IBIS公司产品通过LVDT检测弹性元件变形换算压入载荷，德国Bruker(原美国Hysitron)公司和瑞士FEMTO TOOLS公司则采用电容检测方式直接测得压入载荷，其中德国Bruker公司采用三电极板测量方式集成精密驱动/检测，而瑞士FEMTO TOOLS公司静电检测微力传感器为提高载荷检测分辨率增加有效极板数量，但是不具备加载功能同时也仅为一维压力传感器，无法满足薄膜材料纳米压痕/划痕测试需求。

综上所述，横向比较已有纳米压痕/划痕的驱动检测结构与工作原理，当以静电梳齿驱动加载检测结构具有极高的灵敏度和分辨率，但是将会引起量程缩小、外部采集电路及梳齿结构设计更为复杂等局限，如美国专利(US 8161803B2)中涉及用于纳米压痕的微机械梳齿结构，分别从驱动部分梳齿结构、传感检测部分梳齿结构、弹簧结构、封装工艺、过冲保护结构等方面加以设计，具有误差小、精度高等优点，但是驱动检测量程将受灵敏度限制，仅为一维驱动检测结构，无法同时实现划痕功能；德国国家计量研究院(PTB)设计横向梳齿结构用于压痕加载测试，相比于法向梳齿结构具有驱动载荷恒定且输出位移较大，然而输出载荷灵敏度将受限。然而，目前所涉及用于纳米压痕测试领域的静电梳齿结构驱动检测维度不高，无法适应样品微区表面形貌或者平面度较差的测试环境，测试误差将显著增加，并且由于梳齿结构设计参数对加载量程和灵敏度影响互异，存在测试量程与灵敏度单一的缺陷。

研制具有二维驱动检测能力的静电梳齿结构，同时实现匹配不同量程及灵敏度加载的双模式微机械梳齿加载检测结构将适应于更广泛的材料力学性能测试，将拓展纳米压痕/划痕测试技术的最小加载测试范围，并在生物微机械操作、材料性能测试、显微操作和多维度传感测试技术等领域具有潜在应用价值。

发明内容