專(zhuān)利名稱(chēng)：納米級(jí)微拉伸裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微拉伸裝置。
技術(shù)背景
微機(jī)械電子系統(tǒng)(MEMQ是集微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器、信號(hào)處理和控制電路以及接口、通訊電路和電源等于一體，可以完成信息獲取，處理，控制及執(zhí)行功能的集成微系統(tǒng)。由于MEMS具有可批量生產(chǎn)、外形尺寸小、集成度高、成本低，可靠性高和功能性好等優(yōu)點(diǎn)，使得其在微加速度傳感器、微慣性與壓力傳感器、微型噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)和微型生物化學(xué)分析設(shè)備等領(lǐng)域獲得了極大的發(fā)展。微小的梁結(jié)構(gòu)、桿結(jié)構(gòu)以及微米甚至納米級(jí)別的絲結(jié)構(gòu)是MEMS中應(yīng)用較為廣泛、也是特別關(guān)鍵的機(jī)械構(gòu)件。隨著對(duì) MEMS應(yīng)用的不斷拓展，常規(guī)條件下材料力學(xué)性能參數(shù)的測(cè)試已遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足MEMS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，采用計(jì)算機(jī)模擬的方式所獲得的微構(gòu)件的力學(xué)參數(shù)又很難通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行驗(yàn)證。因此，研究微位移條件下的微構(gòu)件的力學(xué)特性研究有助于微系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和功能實(shí)現(xiàn)，同時(shí)為表征微結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)、制定MEMS結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)將提供重要的依據(jù)。
在MEMS系統(tǒng)微構(gòu)件的材料力學(xué)性能測(cè)試中，拉伸測(cè)試主要解決材料彈性模量、泊松比、屈服強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)的測(cè)試。與其它的測(cè)試方法相比，拉伸測(cè)試最直接、 最準(zhǔn)確。從原理上講，試件的拉伸測(cè)試要求分別測(cè)量位移和載荷分量，實(shí)驗(yàn)不僅可以得到微構(gòu)件包括塑性變形在內(nèi)的拉伸力——應(yīng)變曲線(xiàn)的全過(guò)程，而且樣品在拉伸測(cè)試中受到均勻的拉伸應(yīng)力，能夠全面反映材料的強(qiáng)度特性。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也非常易于分析說(shuō)明?，F(xiàn)在正日益受到科研人員的重視，是一種比較理想的方法。
當(dāng)前，微構(gòu)件的力學(xué)特性測(cè)試還存在著很多困難，以微構(gòu)件的微拉伸實(shí)驗(yàn)為例1、 如果試樣的尺寸非常微小，其測(cè)試過(guò)程要求很高的運(yùn)動(dòng)精度和系統(tǒng)分辨率；2、試樣所承受的最大載荷也小，試樣安裝和夾具設(shè)計(jì)也是個(gè)挑戰(zhàn)；3、試樣的對(duì)準(zhǔn)、校正都非常困難。以上這些困難導(dǎo)致微結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能數(shù)據(jù)至今仍很匱乏，這嚴(yán)重阻礙了 MEMS技術(shù)的發(fā)展和推廣，MEMS材料機(jī)械性能實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究已迫在眉睫。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種納米級(jí)微拉伸裝置，以解決現(xiàn)有的拉伸裝置外形結(jié)構(gòu)尺寸大、試件測(cè)試精度差和安裝困難問(wèn)題。
本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題采取的技術(shù)方案是所述裝置還包括底板、支撐板、動(dòng)載物臺(tái)、柔性鉸鏈、壓電陶瓷座、頂球、錐孔螺釘、壓電陶瓷、壓電陶瓷連接帽、L形蓋板、預(yù)緊螺帽、靜載物臺(tái)、三維位移臺(tái)和兩個(gè)載物片，底板上分別裝有支撐板和三維位移臺(tái)，支撐板上分別裝有柔性鉸鏈和L形蓋板，動(dòng)載物臺(tái)為L(zhǎng)形，L形動(dòng)載物臺(tái)的水平段豎直設(shè)置且與柔性鉸鏈的側(cè)壁連接，三維位移臺(tái)的Z向調(diào)整螺桿與靜載物臺(tái)連接，動(dòng)載物臺(tái)和靜載物臺(tái)上均裝有載物片，壓電陶瓷座固裝在L形蓋板的豎直段上，壓電陶瓷設(shè)在壓電陶瓷座內(nèi)，壓電陶瓷底部與錐孔螺釘連接，壓電陶瓷座設(shè)有錐槽，錐孔螺釘?shù)念^部設(shè)有錐孔，頂球設(shè)在錐孔螺釘?shù)腻F孔與壓電陶瓷座的錐槽之間，壓電陶瓷的頂部與壓電陶瓷連接帽連接，預(yù)緊螺帽穿過(guò)L形蓋板的豎直段與壓電陶瓷連接帽對(duì)應(yīng)設(shè)置，每個(gè)載物片上設(shè)有凹槽、螺紋孔和多個(gè)沉頭孔，三維位移臺(tái)的Y向螺桿調(diào)整靜載物臺(tái)和動(dòng)載物臺(tái)對(duì)中，三維位移臺(tái)的X向螺桿根據(jù)試樣長(zhǎng)度調(diào)整靜載物臺(tái)與動(dòng)載物臺(tái)之間X向的距離。
本發(fā)明具有以下有益效果本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了微小桿或絲結(jié)構(gòu)的單軸微拉伸實(shí)驗(yàn)， 可實(shí)現(xiàn)最小拉伸位移為lOnm，可以結(jié)合原子力顯微鏡等顯微設(shè)備實(shí)現(xiàn)微拉伸過(guò)程的顯微觀察，完全適合金屬或非金屬微構(gòu)件的納米級(jí)拉伸要求。本發(fā)明在測(cè)試時(shí)通過(guò)對(duì) 10 μ m-100 μ m直徑微桿結(jié)構(gòu)合理安裝調(diào)試，可以實(shí)現(xiàn)微桿結(jié)構(gòu)的高精度拉伸過(guò)程。裝置具有外形尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊、測(cè)試精度高、使用方便、適合材料廣泛優(yōu)點(diǎn)。


圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)主視圖，圖2是圖1的俯視圖，圖3是圖1的左視圖，圖4 是柔性鉸鏈的主視圖，圖5是鉸鏈單元的結(jié)構(gòu)示意圖，圖6是載物片的結(jié)構(gòu)示意圖，圖7是錐孔螺釘?shù)慕Y(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
具體實(shí)施方式
一結(jié)合圖1-圖3、圖6和圖7說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的裝置還包括底板1、支撐板2、動(dòng)載物臺(tái)3、柔性鉸鏈4、壓電陶瓷座5、頂球6、錐孔螺釘7、壓電陶瓷8、壓電陶瓷連接帽9、L形蓋板10、預(yù)緊螺帽12、靜載物臺(tái)13、三維位移臺(tái)14和兩個(gè)載物片11，底板1上分別裝有支撐板2和三維位移臺(tái)14，支撐板2上分別裝有柔性鉸鏈4和 L形蓋板10，動(dòng)載物臺(tái)3為L(zhǎng)形，L形動(dòng)載物臺(tái)3的水平段豎直設(shè)置且與柔性鉸鏈4的側(cè)壁連接，三維位移臺(tái)14的Z向調(diào)整螺桿與靜載物臺(tái)13連接，動(dòng)載物臺(tái)3和靜載物臺(tái)13上均裝有載物片11，壓電陶瓷座5固裝在L形蓋板10的豎直段上，壓電陶瓷8設(shè)在壓電陶瓷座 5內(nèi)，壓電陶瓷8底部與錐孔螺釘7連接，壓電陶瓷座5設(shè)有錐槽5-1，錐孔螺釘7的頭部設(shè)有錐孔7-1，頂球6設(shè)在錐孔螺釘7的錐孔7-1與壓電陶瓷座5的錐槽5-1之間，壓電陶瓷 8的頂部與壓電陶瓷連接帽9連接，預(yù)緊螺帽12穿過(guò)L形蓋板10的豎直段與壓電陶瓷連接帽9對(duì)應(yīng)設(shè)置，每個(gè)載物片11上設(shè)有凹槽11-1、螺紋孔11-2和多個(gè)沉頭孔11-3，凹槽11_1 和螺紋孔11-2相通，三維位移臺(tái)14的Y向螺桿調(diào)整靜載物臺(tái)13和動(dòng)載物臺(tái)3對(duì)中，三維位移臺(tái)14的X向螺桿根據(jù)試樣長(zhǎng)度調(diào)整靜載物臺(tái)13與動(dòng)載物臺(tái)3之間X向的距離。
凹槽11-1用于放置被拉伸試件，螺紋孔11-2配合標(biāo)準(zhǔn)螺釘?shù)男o起到被拉伸試件的固定作用，多個(gè)沉頭孔11-3用于與動(dòng)載物臺(tái)3或靜載物臺(tái)13連接。
三維位移臺(tái)1是北京卓立漢光儀器有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為ASM-XYZ-2A型整體式三維精密定位臺(tái)。
具體實(shí)施方式
二 結(jié)合圖1、圖4和圖5說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的柔性鉸鏈 4由第一連接梁15、三個(gè)U形鉸鏈16、兩個(gè)第二連接梁17和兩個(gè)第一鉸鏈單元18-1構(gòu)成， 每個(gè)U形鉸鏈16包括底梁16-1、兩個(gè)側(cè)梁16-2和四個(gè)第二鉸鏈單元18-2，底梁16_1通過(guò)一個(gè)第二鉸鏈單元18-2與相應(yīng)的側(cè)梁16-2的一端連接，每個(gè)側(cè)梁16-2的另一端與第二鉸鏈單元18-2連接且該第二鉸鏈單元18-2各與剩余的U形鉸鏈16的底梁16_1連接，三個(gè)U 形鉸鏈16呈品字形設(shè)置，位于左側(cè)的兩個(gè)U形鉸鏈16各與一個(gè)第二連接梁17連接，每個(gè)第二連接梁17的中部通過(guò)一個(gè)第一鉸鏈單元18-1均與第一連接梁15連接。該結(jié)構(gòu)的柔性鉸鏈具有伸縮方向(X向)剛度高、側(cè)向(Y向)柔度適宜、運(yùn)動(dòng)靈敏度高、導(dǎo)向精度好的特點(diǎn)。其它組成及連接關(guān)系與具體實(shí)施方式
一相同。
中國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)號(hào)為CNM59740
公開(kāi)日為2001年11月14日公開(kāi)了一種鉸鏈單元， 該鉸鏈單元為一個(gè)矩形立方體的兩個(gè)面分別設(shè)有凹槽，凹槽底端面呈半徑為R的圓弧狀， 兩個(gè)圓弧頂點(diǎn)之間的距離為柔性厚度t，兩個(gè)圓弧的圓心軸與柔性厚度t垂直，與兩圓心連線(xiàn)平行的立方體兩側(cè)面的邊長(zhǎng)為鉸鏈的寬度h，h > 2R+t。
工作原理首先通過(guò)調(diào)節(jié)預(yù)緊螺帽12對(duì)壓電陶瓷8進(jìn)行預(yù)緊。預(yù)緊的具體實(shí)施步驟如下通過(guò)螺紋連接將錐孔螺釘7、壓電陶瓷連接帽9與壓電陶瓷8相連。將壓電陶瓷座5豎直放置，并把頂球6放進(jìn)壓電陶瓷座5的錐槽中。將預(yù)緊螺帽12旋入L形蓋板10 的螺紋孔。把與壓電陶瓷5連接的錐孔螺釘?shù)腻F孔與頂球6接觸，同時(shí)將與L形蓋板10相連的預(yù)緊螺帽12通過(guò)軸孔間隙配合與壓電陶瓷連接帽9相連。用螺釘將L形蓋板10和壓電陶瓷座5固定在一起，以上完成了微位移驅(qū)動(dòng)器的預(yù)裝配。打開(kāi)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源，在閉環(huán)工作方式下，向壓電陶瓷8輸出滿(mǎn)行程40 μ m的位移信號(hào)，此時(shí)可讀出壓電陶瓷8實(shí)際輸出位移也為40 μ m，用外六角扳手順時(shí)針擰緊預(yù)緊螺帽12，可以看到，在預(yù)緊量加大的過(guò)程中，壓電陶瓷8實(shí)際輸出位移不再為40 μ m,而是小于40 μ m,而且預(yù)緊量越大，實(shí)際輸出位移越小，找到使壓電陶瓷8實(shí)際輸出位移剛剛發(fā)生變化的預(yù)緊螺帽12的位置便完成了壓電陶瓷8的預(yù)緊。
調(diào)節(jié)預(yù)緊螺帽12，使壓電陶瓷8預(yù)緊量達(dá)到一個(gè)合適值，在動(dòng)載物臺(tái)3、靜載物臺(tái) 13的載物片11上分別放一量塊，在動(dòng)載物臺(tái)3的一側(cè)放置一個(gè)光源，調(diào)整三維位移臺(tái)14的 Z向調(diào)整螺桿，依據(jù)動(dòng)載物臺(tái)3和靜載物臺(tái)13與量塊間的透光量調(diào)節(jié)動(dòng)載物臺(tái)3和靜載物臺(tái)13的水平位置。調(diào)整三維位移臺(tái)14的X向螺桿，使得動(dòng)載物臺(tái)3和靜載物臺(tái)13之間在 X方向上留有很小的空隙，再調(diào)整三維位移臺(tái)14的Y向螺桿，依據(jù)動(dòng)載物臺(tái)3和靜載物臺(tái) 13上載物片11的凹槽調(diào)整動(dòng)載物臺(tái)3和靜載物臺(tái)13的對(duì)中，根據(jù)試樣長(zhǎng)度調(diào)整三維位移臺(tái)14的X向螺桿，校準(zhǔn)與動(dòng)載物臺(tái)相連的微位移測(cè)試儀和微力測(cè)試儀，調(diào)整好被拉伸試件上方的顯微鏡系統(tǒng)，將微桿試樣固定在載物片11的凹槽中，驅(qū)動(dòng)電源對(duì)壓電陶瓷8施加一定的電壓時(shí)，壓電陶瓷8將產(chǎn)生沿軸向的伸長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)，由于這種軸向伸長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)通過(guò)壓電陶瓷連接帽9、預(yù)緊螺帽12傳遞到L形蓋板10上時(shí)受到限制。因此，壓電陶瓷8的軸向伸長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)將通過(guò)壓電陶瓷座5傳遞到柔性鉸鏈上。伸長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)行程在柔性鉸鏈的放大作用下，驅(qū)使動(dòng)載物臺(tái)3產(chǎn)生負(fù)X方向的運(yùn)動(dòng)，由于靜載物臺(tái)13此時(shí)已經(jīng)調(diào)整好，并處于固定狀態(tài)，動(dòng)載物臺(tái)3的負(fù)X方向運(yùn)動(dòng)將使得兩個(gè)載物片11產(chǎn)生X方向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)被拉伸試件的X方向拉伸運(yùn)動(dòng)，完成對(duì)微桿(絲)試樣的拉伸。拉伸過(guò)程中獲取不同載荷條件下的計(jì)算機(jī)圖像，并記錄不同載荷條件下的微力和微位移。
權(quán)利要求
1.一種納米級(jí)微拉伸裝置，其特征在于所述裝置還包括底板(1)、支撐板O)、動(dòng)載物臺(tái)(3)、柔性鉸鏈(4)、壓電陶瓷座(5)、頂球(6)、錐孔螺釘(7)、壓電陶瓷(8)、壓電陶瓷連接帽(9)、L形蓋板(10)、預(yù)緊螺帽(12)、靜載物臺(tái)(13)、三維位移臺(tái)(14)和兩個(gè)兩個(gè)載物片(11)，底板(1)上分別裝有支撐板( 和三維位移臺(tái)(14)，支撐板( 上分別裝有柔性鉸鏈(4)和L形蓋板(10)，動(dòng)載物臺(tái)( 為L(zhǎng)形，L形動(dòng)載物臺(tái)( 的水平段豎直設(shè)置且與柔性鉸鏈(4)的側(cè)壁連接，三維位移臺(tái)(14)的Z向調(diào)整螺桿與靜載物臺(tái)(13)連接，動(dòng)載物臺(tái) ⑶和靜載物臺(tái)(13)上均裝有兩個(gè)載物片(11)，壓電陶瓷座(5)固裝在L形蓋板(10)的豎直段上，壓電陶瓷(8)設(shè)在壓電陶瓷座(5)內(nèi)，壓電陶瓷(8)底部與錐孔螺釘(7)連接， 壓電陶瓷座( 設(shè)有錐槽(5-1)，錐孔螺釘(7)的頭部設(shè)有錐孔(7-1)，頂球(6)設(shè)在錐孔螺釘(7)的錐孔(7-1)與壓電陶瓷座(5)的錐槽(5-1)之間，壓電陶瓷(8)的頂部與壓電陶瓷連接帽(9)連接，預(yù)緊螺帽(12)穿過(guò)L形蓋板(10)的豎直段與壓電陶瓷連接帽(9) 對(duì)應(yīng)設(shè)置，每個(gè)兩個(gè)載物片(11)上設(shè)有凹槽(11-1)、螺紋孔(11-2)和多個(gè)沉頭孔(11-3)， 凹槽(11-1)和螺紋孔(11-2)相通，，三維位移臺(tái)(14)的Y向螺桿調(diào)整靜載物臺(tái)(13)和動(dòng)載物臺(tái)( 對(duì)中，三維位移臺(tái)(14)的X向螺桿根據(jù)試樣長(zhǎng)度調(diào)整靜載物臺(tái)(1 與動(dòng)載物臺(tái)(3)之間X向的距離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述納米級(jí)微拉伸裝置，其特征在于柔性鉸鏈由第一連接梁 (15)、三個(gè)U形鉸鏈(16)、兩個(gè)第二連接梁(17)和兩個(gè)第一鉸鏈單元(18-1)構(gòu)成，每個(gè)U 形鉸鏈(16)包括底梁(16-1)、兩個(gè)側(cè)梁(16- 和四個(gè)第二鉸鏈單元(18-2)，底梁(16_1) 通過(guò)一個(gè)第二鉸鏈單元(18- 與相應(yīng)的側(cè)梁(16- 的一端連接，每個(gè)側(cè)梁(16- 的另一端與第二鉸鏈單元(18- 連接且該第二鉸鏈單元(18- 各與剩余的U形鉸鏈(16)的底梁(16-1)連接，三個(gè)U形鉸鏈(16)呈品字形設(shè)置，位于左側(cè)的兩個(gè)U形鉸鏈(16)各與一個(gè)第二連接梁(17)連接，每個(gè)第二連接梁(17)的中部通過(guò)一個(gè)第一鉸鏈單元(18-1)均與第一連接梁(1 連接。
全文摘要
納米級(jí)微拉伸裝置，它涉及一種微拉伸裝置。解決現(xiàn)有的拉伸裝置外形結(jié)構(gòu)尺寸大、試件測(cè)試精度差和安裝困難問(wèn)題。底板上分別裝有支撐板和三維位移臺(tái)，支撐板上分別裝有柔性鉸鏈和L形蓋板，動(dòng)載物臺(tái)為L(zhǎng)形，L形動(dòng)載物臺(tái)的水平段豎直設(shè)置且與柔性鉸鏈的側(cè)壁連接，三維位移臺(tái)的Z向調(diào)整螺桿與靜載物臺(tái)連接，動(dòng)載物臺(tái)和靜載物臺(tái)上均裝有載物片，壓電陶瓷座固裝在L形蓋板的豎直段上，壓電陶瓷設(shè)在壓電陶瓷座內(nèi)，壓電陶瓷底部與錐孔螺釘連接，頂球設(shè)在錐孔螺釘與壓電陶瓷座的錐槽中，壓電陶瓷的頂部與壓電陶瓷連接帽連接，預(yù)緊螺帽穿過(guò)L形蓋板的豎直段與壓電陶瓷連接帽對(duì)應(yīng)設(shè)置，每個(gè)載物片上設(shè)有螺紋孔和多個(gè)凹槽。本發(fā)明用于微構(gòu)件的拉伸測(cè)試。
文檔編號(hào)G01N3/16GK102507339SQ201110331820
公開(kāi)日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月27日
發(fā)明者何彬, 盧禮華, 梁迎春, 白清順 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)