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本文根据静电梳状驱动器横向驱动和平行板电容驱动器垂直驱动的特点,设计了四种可以通过标准体硅加工工艺制造的微机械多轴疲劳试验装置,并对其中的微机械扭转疲劳试验装置进行了有限元模拟,得到了该装置的安全工作电压和最大应力。此外本文还提出了一套MEMS单晶硅薄膜拉伸疲劳试验方法。通过该方法对MEMS单晶硅薄膜进行了静拉伸试验和疲劳试验。通过对试验结果的分析,获得了MEMS单晶硅薄膜的材料拉伸性能和疲劳特性参数。
首先,结合国外研究成果对四种微机械疲劳试验装置进行了结构设计。这些装置均基于谐振原理,由显微镜和电容式位移传感器测量振动块的振动幅度,根据测量结果由有限元方法间接计算试样缺口根部所受的应力应变,由此来研究硅薄膜试样的疲劳特性。
然后,通过理论分析和有限元分析两种方法去预测扭转疲劳试验装置的吸附电压,并将所得结果进行对比,证明了两种方法具有一致性。又通过对比试验结果与理论计算结果,证实了该理论分析方法的有效性,从而证实了有限元分析方法的有效性。因此,可以通过有限元分析得到疲劳试样应力分布情况。
最后根据MEMS单晶硅薄膜拉伸疲劳试样的设计,充分参考了MMT-11N微机械疲劳试验机的主要参数,使用设计的掩模板采用标准体硅加工工艺制造了MEMS疲劳试样。在MEMS单晶硅薄膜拉伸疲劳试验过程中,实现试样的精确装卡和对中,在此基础上对MEMS单晶硅薄膜试样进行了静拉伸试验和疲劳试验,得到了静拉伸应力应变曲线,S-N曲线,迟滞回线以及应变随寿命的变化曲线。通过对所得试验数据的分析获得了MEMS单晶硅薄膜的材料拉伸性能和疲劳特性参数。