專利名稱：微機(jī)械力學(xué)性能測試儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種精密測量儀器，特別涉及一種微機(jī)械力學(xué)性能測試儀。
對于微小構(gòu)件力學(xué)性能的測試，目前國內(nèi)外已經(jīng)發(fā)展了一些方法和測試儀器，如用振動技術(shù)測量一個板的殘余應(yīng)力，用靜電驅(qū)動的試驗(yàn)裝置測量微機(jī)電系統(tǒng)的材料性能(如楊氏模量、殘余應(yīng)力)，硅微機(jī)電系統(tǒng)的臨界裂紋生長的試驗(yàn)，用懸臂梁和薄膜擴(kuò)管試驗(yàn)方法測量薄膜的機(jī)械性能(如楊氏模量、斷裂強(qiáng)度)。我們也進(jìn)行了一些微機(jī)械的力學(xué)性能研究用電磁加載的微沖擊試驗(yàn)臺進(jìn)行斷裂韌性和疲勞強(qiáng)度的測試，用固有頻率測微懸臂梁的楊氏模量和內(nèi)應(yīng)力。除此之外，日本的一些研究單位通過小型拉伸機(jī)進(jìn)行彈性模量的測試，Sharp等人開發(fā)了一種小型拉伸機(jī)(測量泊松比)?？傊?，從已報(bào)道的文獻(xiàn)看，還沒有真正的微小構(gòu)件力學(xué)性能測試儀，大多是測量方法的探討，還沒有形成完整的儀器。有些雖然形成了儀器，但其功能較少，且沒有考慮微小構(gòu)件的結(jié)構(gòu)對測量結(jié)果的影響。一些測試實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)巧妙，但卻把大多數(shù)的精力集中在微測試構(gòu)件的制造之上，例如上面提到日本研制的小體積材料性能測試機(jī)，通過專門的工藝制造微小試件，試件兩端粘結(jié)在拉伸機(jī)的卡具上，通過拉伸實(shí)驗(yàn)得到楊氏模量、泊松比、屈服極限、硬化指數(shù)等。這些測試方法可以得到一些構(gòu)件的力學(xué)性能，但試件制造較麻煩，且由于尺寸、工藝的影響，其測試性能和實(shí)際構(gòu)件的實(shí)用性能不完全一致。由于微小構(gòu)件尺寸很小，拉伸時很難夾持，目前，國內(nèi)一些單位研制的亞微米壓入儀存在瞄準(zhǔn)、分辨率、熱漂等問題阻礙了它的推廣，因此，還沒有真正意義的納米壓入設(shè)備，更沒有專門針對MEMS器件和小體積材料的專用材料性能測試設(shè)備。
本實(shí)用新型的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提出一種可適于各種材料的微機(jī)械力學(xué)性能測試儀，本測試儀能夠進(jìn)行包括薄膜、MEMS器件、各種微機(jī)械小器件的力學(xué)性能測試，對不同尺度、小體積材料和微小構(gòu)件力學(xué)性能進(jìn)行研究。
本實(shí)用新型通過探頭壓入得到載荷---位移曲線，進(jìn)而分析得到微構(gòu)件的各種力學(xué)性能，還采用了壓頭的振動得到微構(gòu)件材料的疲勞強(qiáng)度，克服了傳統(tǒng)方法對構(gòu)件的苛刻要求，具有較大的適用性。
本實(shí)用新型包括壓頭卡具、真空裝夾機(jī)構(gòu)、Z向驅(qū)動裝置、激光器、X/Y工作臺、電容測微儀、CCD攝像機(jī)等。
附

圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)原理圖。
附圖2A是本實(shí)用新型真空裝夾機(jī)構(gòu)的俯視圖。
附圖2b是本實(shí)用新型真空裝夾機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖。
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)原理和工作原理做進(jìn)一步說明。
參見圖1，本實(shí)用新型包括一底座7，在底座7上連接有倒U形支架6和Z向驅(qū)動裝置5，Z向驅(qū)動裝置5上固定一X/Y工作臺4，工作臺4內(nèi)配置一力傳感器3用于檢測壓入力，X/Y工作臺4上部裝有采用阻尼孔和真空腔完成微構(gòu)件固定的真空裝夾機(jī)構(gòu)10(參見圖2)。真空裝夾機(jī)構(gòu)10包括上端蓋16，上端蓋16上開有與腔體18相通的阻尼孔15，上端蓋16、下端蓋18與腔體17均通過螺紋連接，試件14平放在阻尼孔15之上。在倒U形支架6內(nèi)上部裝有采用壓電陶瓷-柔性鉸鏈加載機(jī)構(gòu)組成的進(jìn)給裝置11，在進(jìn)給裝置11的輸出端連接壓頭卡具1，壓頭卡具1上固定有裝點(diǎn)壓頭12，在壓頭12靠近壓入位置固定一平板13；電容測微儀8的兩極板，一端固定在平板13上，另一端固定在進(jìn)給裝置11的靜止部分，在倒U形支架6的一內(nèi)側(cè)固定一CCD攝像機(jī)9，CCD攝像機(jī)9配置有較大景深的顯微鏡頭，進(jìn)給裝置11的靜止部分、壓頭卡具1的側(cè)面緊固一激光器2，使射出光線正射在壓頭12的尖端。
本實(shí)用新型的工作過程是1、Z向驅(qū)動裝置5在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動下開始進(jìn)給，當(dāng)進(jìn)給至距壓頭10μM左右時停止；2、這時進(jìn)給裝置11開始以10μM/SHP逼近裝在真空裝夾機(jī)構(gòu)10內(nèi)的微構(gòu)件試件，真空裝卡機(jī)構(gòu)利用阻尼孔15吸附試件14，當(dāng)連續(xù)抽真空時，腔體17內(nèi)呈負(fù)壓，而表面的未裝卡試件14的孔成了阻尼孔，孔兩端的壓差取決于通過孔的氣體流量，控制保持腔體17內(nèi)的壓力達(dá)到已衡值，從而可以把試件14緊緊固定在上端蓋16上，直到力傳感器3得到輸出信號停止；3、然后進(jìn)給裝置11繼續(xù)加載，力傳感器3記錄力和位移輸出值，以此得到載位移曲線；4、Z向驅(qū)動裝置5動作，驅(qū)動裝在真空裝夾機(jī)構(gòu)10內(nèi)的微構(gòu)件試件遠(yuǎn)離壓頭；5、CCD攝像機(jī)9記錄壓入形貌，并輸入到計(jì)算機(jī)。
通過加載頭加載可得到位移載荷曲線、保載曲線。根據(jù)上述曲線，通過理論分析可以得到以下的參數(shù)(1)彈性模量和硬度(2)塑性性能屈服強(qiáng)度，硬化指數(shù)，蠕變(3)斷裂韌性對于脆性材料，通過壓痕裂縫的分析可得到材料的斷裂性能。
通過用球加載頭對微構(gòu)件進(jìn)行沖擊加載、微循環(huán)載荷的沖擊加載，得到微構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度和沖擊后的形貌。
(1)用球加載頭對微構(gòu)件進(jìn)行沖擊并同步拾取位移和力信號，通過分析可得到斷裂韌性，用光學(xué)顯微鏡CCD系統(tǒng)觀察沖擊后的微構(gòu)件形貌。
(2)通過對微構(gòu)件進(jìn)行微循環(huán)沖擊加載并由計(jì)算機(jī)計(jì)數(shù)，可得到微構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度。
用壓電陶瓷---柔性鉸鏈加載機(jī)構(gòu)對試件表面加載，微電容測微儀測壓入深度。
通過在工作臺上加一些附件(包括裝夾附件、振動傳感器等)，可對微機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行振動試驗(yàn)。
采用納米壓入儀和計(jì)量型原子力顯微鏡等標(biāo)定位移和力傳感器。
理論分析包括對微構(gòu)件的力學(xué)性能進(jìn)行建模、計(jì)算和分析，沖擊裂紋的分析與計(jì)算。建立、積累微機(jī)械力學(xué)性能庫。
本實(shí)用新型與背景技術(shù)比較，具有以下效果1、價格低廉。測試儀的研制價格在40萬元左右，批量生產(chǎn)，成本還可以降低。而國外產(chǎn)品，NANOINDENTER-2價格在28多萬美元，MTS生產(chǎn)的壓入設(shè)備NANOINDENTER XP價格更高。
2、性能能夠滿足MEMS器件材料力學(xué)性能的研究。本測試儀主要性能指標(biāo)是位移范圍為1000μm，位移分辨率10nm，最大載荷200N，力分辨率100nN，基本能夠滿足MEMS器件的材料力學(xué)性能測試。NanoIndenter XP的主要性能指標(biāo)位移分辨率小于0.02nm，壓入深度500μm，最大載荷500mN，力分辨率50nN，它主要用于各種薄膜，超薄膜的力學(xué)性能測試，可以用MEMS器件的性能測試。
3、本測試儀主要針對各種MEMS構(gòu)件力學(xué)性能的測試，考慮了各種微構(gòu)件的裝夾，定位問題，通過真空裝夾機(jī)構(gòu)，專用導(dǎo)軌等附件完成微構(gòu)件的測試，這是目前MTS公司所沒有考慮的。
4、本測試儀實(shí)現(xiàn)試件的自動測試。軟件模塊分析作為必要部分，NanoIndenter XP也是自動操作，其載荷---位移曲線分析軟件是作為商品單獨(dú)出售。
權(quán)利要求1.微機(jī)械力學(xué)性能測試儀，包括一底座(7)，在底座(7)上連接有倒U形支架(6)和Z向驅(qū)動裝置(5)，其特征在于，所說的Z向驅(qū)動裝置(5)上固定一X/Y工作臺(4)，工作臺(4)內(nèi)配置一力傳感器(3)，X/Y工作臺(4)上部裝有真空裝夾機(jī)構(gòu)(10)，倒U形支架(6)內(nèi)上部裝有進(jìn)給裝置(11)，在進(jìn)給裝置(11)的輸出端連接壓頭卡具(1)，壓頭卡具(1)上固定有裝點(diǎn)壓頭(12)，在壓頭(12)靠近壓入位置固定一平板(13)，電容測微儀(8)的兩極板，一端固定在平板(13)上，另一端固定在進(jìn)給裝置(11)的靜止部分。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機(jī)械力學(xué)性能測試儀，其特征在于，所說的真空裝夾機(jī)構(gòu)(10)包括上端蓋(16)，上端蓋(16)上開有與腔體(18)相通的阻尼孔(15)，上端蓋(16)、下端蓋(18)與腔體(17)均通過螺紋連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機(jī)械力學(xué)性能測試儀，其特征在于，所說的倒U形支架(6)的一內(nèi)側(cè)固定一CCD攝像機(jī)(9)，CCD攝像機(jī)(9)配置有較大景深的顯微鏡頭，進(jìn)給裝置(11)的靜止部分、壓頭卡具(1)的側(cè)面緊固一激光器(2)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機(jī)械力學(xué)性能測試儀，其特征在于，所說的進(jìn)給裝置(11)由壓電陶瓷一柔性鉸鏈加載機(jī)構(gòu)組成。
專利摘要一種微機(jī)械力學(xué)性能測試儀,由壓頭卡具、真空裝夾機(jī)構(gòu)、Z向驅(qū)動裝置、激光器、X/Y工作臺、電容測微儀、CCD攝像機(jī)等組成,薄膜、MEMS器件、各種微機(jī)械小器件的力學(xué)性能測試,對不同尺度、下體積材料和微小構(gòu)件力學(xué)性能進(jìn)行研究。
文檔編號G01L3/10GK2412212SQ00226180
公開日2000年12月27日 申請日期2000年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月9日
發(fā)明者蔣莊德, 王海容, 趙則祥, 王朝暉, 陳偉, 伊燕玲, 趙玉龍 申請人:西安交通大學(xué)