專利名稱：一種微構(gòu)件摩擦力測試儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于精密測量領(lǐng)域，涉及一種對用微細(xì)加工方法制作的微機械構(gòu)件進行摩擦力測量儀器的改進。
目前國內(nèi)外使用的微小摩擦力測試儀器主要有利用在Tabor等人研制的表面力儀SFA的基礎(chǔ)上加入摩擦力測量功能的裝置，Alsten和Granick提出的用壓電晶體驅(qū)動橫向運動和摩擦力測量的方案，還有美國IBM公司的Almaden研究中心的Mate和Mcclelland等人首先在原子力顯微鏡上附加了橫向力測量裝置，將AFM改裝成FFM，并成功地用于研究石墨表面原子尺度的摩擦特性和粘滑現(xiàn)像。Mate等人是利用光干涉方法檢測摩擦力，光束與X軸平行射到鎢絲探針端部，根據(jù)光干涉圖像檢測鎢絲探針沿X方向的變形位移量，再由鎢絲的彈性剛度即可確定摩擦力。Digital Instrument公司生產(chǎn)的MultiMode SPM具有多種分析測試功能，其中包括摩擦力顯微鏡，該產(chǎn)品是同類儀器中高檔品種，已經(jīng)形成系列化。主要包括減振工作臺1、摩擦力測試儀主體2、光學(xué)顯微鏡及CCD系統(tǒng)3、監(jiān)視器4、控制系統(tǒng)5，摩擦力測試主體2它由激光器、鎢絲探針組成，以上方法只能用來測量光滑表面的摩擦力，對于具有三維結(jié)構(gòu)的微機械摩擦還無法進行測量。
本實用新型的目的在于解決微機械構(gòu)件的摩擦力測量，為消除由于微構(gòu)件表面復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)對摩擦力測量過程產(chǎn)生的影響，解決已有技術(shù)對具有三維結(jié)構(gòu)的微機械構(gòu)件摩擦力無法進行測量的問題，從而提供一種新型的微構(gòu)件摩擦力測試儀。
本實用新型詳細(xì)內(nèi)容包括如圖1所示減振工作臺、摩擦力測試主體、光學(xué)顯微鏡及CCD系統(tǒng)、監(jiān)視器、控制系統(tǒng)，其中摩擦力測試主體部分由圖2所示，還包括垂直逼近系統(tǒng)、X和Y方向粗調(diào)機構(gòu)、X和Y方向精密掃描機構(gòu)、樣片承載機構(gòu)、光電接收器調(diào)節(jié)機構(gòu)、光電接收器、二級反射鏡、一級反射鏡、激光器、入射光調(diào)整機構(gòu)、懸臂梁支架，微懸臂、微探針組成，垂直逼近系統(tǒng)中固定一個步進電機，X和Y方向粗調(diào)機構(gòu)置于垂直逼近系統(tǒng)的上表面，X和Y方向粗調(diào)機構(gòu)的上面由四個螺孔通過螺栓與X和Y方向精密掃描機構(gòu)聯(lián)接在一起，樣片承載片與X和Y方向精密掃描機構(gòu)本體磁性聯(lián)接在一起，微懸臂的本體上制備有微探針，微懸臂與懸臂梁支架通過粘性材料粘貼在一起，光電接收器、二級反射鏡、一級反射鏡、激光器分別固定在殼體上，一級反射鏡置于保證激光器發(fā)出的激光光束射到微懸臂一端部的上表面上，二級反射鏡置于保證微懸臂反射的光束進入光電接收器的接收面上，光電接收器調(diào)節(jié)機構(gòu)、光電接收器、激光器與入射光調(diào)整機構(gòu)分別通過螺栓聯(lián)接在一起。
本實用新型的工作原理當(dāng)控制系統(tǒng)通電后，將激光器和垂直逼近系統(tǒng)的步進電機電源打開，將被測試樣片固定在樣片承載機構(gòu)上。調(diào)整使激光器發(fā)出的激光經(jīng)過一級反射鏡、微懸臂、二級反射鏡正確到達光電探測器，調(diào)節(jié)光電探測器使接收初始電流值為0。啟動步進電機進行Z方向逼近，由控制系統(tǒng)自動進行調(diào)整逼近狀態(tài)并在已經(jīng)逼近后進行提示。出現(xiàn)逼近提示后，啟動X、Y方向精密掃描機構(gòu)，通過激光束在微懸臂表面的反射光，由光電探測器得到微懸臂在掃描過程中由于摩擦力而產(chǎn)生的變形，光電探測器輸出的電信號經(jīng)過前置放大后，微懸臂的法向信號同時被輸出到控制系統(tǒng)中的反饋電路和數(shù)字采集電路，微懸臂的橫向信號被輸出到控制系統(tǒng)中經(jīng)過放大由數(shù)字采集電路進入計算機成像，得到摩擦力圖像，則完成對三維結(jié)構(gòu)的微機械摩擦的測量。
本實用新型克服了已有技術(shù)采用鎢絲探針只能用來測量光滑表面的摩擦力，對于具有三維結(jié)構(gòu)的微機械摩擦還無法進行測量的問題，由于采用獨特的微懸臂和微探針進行測量，使微加工樣片表面三維結(jié)構(gòu)下的摩擦力得到真實反映，同時可以針對不同材料樣片選用不同的微探針。由于微構(gòu)件表面是由一定三維圖形組成的立體結(jié)構(gòu)，本實用新型對于在此種條件下的摩擦力測量提供一種簡易而方便的解決辦法，消除了由于微構(gòu)件表面復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)而對摩擦力測量過程產(chǎn)生的影響，從而提供一種新型的微構(gòu)件摩擦力測試儀。


圖1是本實用新型結(jié)構(gòu)示意圖圖2是本實用新型摩擦力測試主體部分的結(jié)構(gòu)主視圖本實用新型的實施例如圖1、圖2所示圖中為減振工作臺1、摩擦力測試主體2、光學(xué)顯微鏡及CCD系統(tǒng)3、監(jiān)視器4、控制系統(tǒng)5、垂直逼近系統(tǒng)6、X和Y方向粗調(diào)機構(gòu)7、X和Y方向精密掃描機構(gòu)8、樣片承載機構(gòu)9、光電接收器調(diào)節(jié)機構(gòu)10、光電接收器11、二級反射鏡12、一級反射鏡13、激光器14、入射光調(diào)整機構(gòu)15、懸臂梁支架16、微懸臂17、微探針18。
減振工作臺1可以采用簡易方法自行制作，主要利用細(xì)砂、刨花、大理石板及橡膠墊制成。光學(xué)顯微鏡及CCD系統(tǒng)3是在市場上購買帶CCD輸出的顯微鏡系統(tǒng)。監(jiān)視器4是購買的監(jiān)視器?？刂葡到y(tǒng)5是自行設(shè)計制作的控制系統(tǒng)以及計算機。摩擦力測試主體2由上下兩部分組成，上半部分包括激光器14、微懸臂夾具16、微懸臂17、四像限光斑位置光電接收器11以及光電接收器調(diào)節(jié)機構(gòu)10、二級反射鏡12、一級反射鏡13、入射光調(diào)整機構(gòu)15組成。下半部分包括樣片承載機構(gòu)9、X和Y方向精密掃描機構(gòu)8中壓電陶瓷管、X和Y方向粗調(diào)機構(gòu)7以及垂直逼近系統(tǒng)6。激光器14采用購買可見光波段的半導(dǎo)體激光器，從激光器14發(fā)出的光束經(jīng)前反射鏡13反射后，光斑落在微懸臂17本體自由端的鏡面上，再經(jīng)角度可調(diào)節(jié)的后反射鏡12反射到四像限光電接收器11。微懸臂17為三角形結(jié)構(gòu)，材料為Si3N4，背面有鍍金鏡面，其自由端有一個金字塔形的微探針18。光電接收器11是由一個四像限光電池組成的位置靈敏檢測器。
X、Y方向掃描系統(tǒng)8主要由壓電陶瓷構(gòu)成，壓電陶瓷管外壁的電極被分成四等份，管子內(nèi)壁為一整體電極，在其中某電極上施加電壓，管子的相應(yīng)部分就會伸長或收縮，使壓電陶瓷管彎曲。通過在相臨的兩個電極上按一定規(guī)律施加電壓就可實現(xiàn)X-Y方向的相互垂直的移動，在Z方向上的運動是通過在管子內(nèi)壁電極施加電壓使管子整體收縮實現(xiàn)。
垂直方向逼近系統(tǒng)6采用步距角為0.3度的精密步進電機，步進電機帶動一個密螺紋螺桿旋轉(zhuǎn)，從而使探頭的上半部分升降來實現(xiàn)樣品臺同微探針間距的調(diào)節(jié)。當(dāng)樣片承載機構(gòu)9與微探針18之間的間距達到設(shè)定的工作距離時，即反射光斑在光電接收器11上移動產(chǎn)生的光位移電流超過預(yù)設(shè)的參考電流時，控制系統(tǒng)5自動發(fā)出一負(fù)脈沖信號，使步垂直方向逼近系統(tǒng)6的步進電機自動關(guān)閉，系統(tǒng)進入工作狀態(tài)。在步進電機的控制下，樣片承載機構(gòu)9可單步升降和連續(xù)多步的快速升降。
適合測量帶有微米級三維結(jié)構(gòu)的樣片的摩擦特性，微懸臂17與懸臂梁支架16可以調(diào)節(jié)，針對不同材料的微構(gòu)件樣片要更換為相應(yīng)的微懸臂和微探針。
權(quán)利要求1.一種微構(gòu)件摩擦力測試儀，它包括減振工作臺1、光學(xué)顯微鏡及CCD系統(tǒng)3、監(jiān)視器4、控制系統(tǒng)5，其特征在于還包括垂直摩擦力測試主體2既由逼近系統(tǒng)6、X和Y方向粗調(diào)機構(gòu)7、X和Y方向精密掃描機構(gòu)8、樣片承載機構(gòu)9、光電接收器調(diào)節(jié)機構(gòu)10、光電接收器11、二級反射鏡12、一級反射鏡13、激光器14、入射光調(diào)整機構(gòu)15、懸臂梁支架16，微懸臂17、微探針18組成，垂直逼近系統(tǒng)6中固定一個步進電機，X和Y方向粗調(diào)機構(gòu)7置于垂直逼近系統(tǒng)6的上表面，X和Y方向粗調(diào)機構(gòu)7的上面由四個螺孔通過螺栓與X和Y方向精密掃描機構(gòu)8聯(lián)接在一起，樣片承載片9與X和Y方向精密掃描機構(gòu)8本體磁性聯(lián)接在一起，微懸臂17的本體上制備有微探針18，微懸臂17與懸臂梁支架16通過粘性材料粘貼在一起，光電接收器11、二級反射鏡12、一級反射鏡13、激光器14分別固定在殼體19上，反射鏡13置于保證激光器14發(fā)出的激光光束射到微懸臂17一端部的上表面上，反射鏡12置于保證微懸臂17反射的光束進入探測器11的接收面上，光電接收器調(diào)節(jié)機構(gòu)10、光電接收器11、激光器14與入射光調(diào)整機構(gòu)15分別通過螺栓聯(lián)接在一起。
專利摘要本實用新型涉及一種對微機械構(gòu)件進行摩擦力測量儀器的改進。它包括減振工作臺、摩擦力測試主體、光學(xué)顯微鏡及CCD系統(tǒng)、監(jiān)視器、控制系統(tǒng)。本實用新型由于采用獨特微懸臂和微探針進行測量,使微加工樣片表面三維結(jié)構(gòu)下的摩擦力得到真實反映,同時可以針對不同材料樣片選用不同的微探針。由于微構(gòu)件表面是由一定三維圖形組成的立體結(jié)構(gòu),本實用新型對于在此種條件下的摩擦力測量提供一種簡易而方便的解決辦法,消除了由于微構(gòu)件表面復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)而對摩擦力測量過程產(chǎn)生的影響,從而提供一種新型的微構(gòu)件摩擦力測試儀。
文檔編號G01N3/40GK2453429SQ0026476
公開日2001年10月10日 申請日期2000年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月14日
發(fā)明者吳一輝, 鞠揮, 賈宏光, 郭占社, 黎海文 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所