专利名称：一种微构件摩擦力测试仪的制作方法
技术领域：
本实用新型属于精密测量领域，涉及一种对用微细加工方法制作的微机械构件进行摩擦力测量仪器的改进。
目前国内外使用的微小摩擦力测试仪器主要有利用在Tabor等人研制的表面力仪SFA的基础上加入摩擦力测量功能的装置，Alsten和Granick提出的用压电晶体驱动横向运动和摩擦力测量的方案，还有美国IBM公司的Almaden研究中心的Mate和Mcclelland等人首先在原子力显微镜上附加了横向力测量装置，将AFM改装成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现像。Mate等人是利用光干涉方法检测摩擦力，光束与X轴平行射到钨丝探针端部，根据光干涉图像检测钨丝探针沿X方向的变形位移量，再由钨丝的弹性刚度即可确定摩擦力。Digital Instrument公司生产的MultiMode SPM具有多种分析测试功能，其中包括摩擦力显微镜，该产品是同类仪器中高档品种，已经形成系列化。主要包括减振工作台1、摩擦力测试仪主体2、光学显微镜及CCD系统3、监视器4、控制系统5，摩擦力测试主体2它由激光器、钨丝探针组成，以上方法只能用来测量光滑表面的摩擦力，对于具有三维结构的微机械摩擦还无法进行测量。
本实用新型的目的在于解决微机械构件的摩擦力测量，为消除由于微构件表面复杂的三维结构对摩擦力测量过程产生的影响，解决已有技术对具有三维结构的微机械构件摩擦力无法进行测量的问题，从而提供一种新型的微构件摩擦力测试仪。
本实用新型详细内容包括如图1所示减振工作台、摩擦力测试主体、光学显微镜及CCD系统、监视器、控制系统，其中摩擦力测试主体部分由图2所示，还包括垂直逼近系统、X和Y方向粗调机构、X和Y方向精密扫描机构、样片承载机构、光电接收器调节机构、光电接收器、二级反射镜、一级反射镜、激光器、入射光调整机构、悬臂梁支架，微悬臂、微探针组成，垂直逼近系统中固定一个步进电机，X和Y方向粗调机构置于垂直逼近系统的上表面，X和Y方向粗调机构的上面由四个螺孔通过螺栓与X和Y方向精密扫描机构联接在一起，样片承载片与X和Y方向精密扫描机构本体磁性联接在一起，微悬臂的本体上制备有微探针，微悬臂与悬臂梁支架通过粘性材料粘贴在一起，光电接收器、二级反射镜、一级反射镜、激光器分别固定在壳体上，一级反射镜置于保证激光器发出的激光光束射到微悬臂一端部的上表面上，二级反射镜置于保证微悬臂反射的光束进入光电接收器的接收面上，光电接收器调节机构、光电接收器、激光器与入射光调整机构分别通过螺栓联接在一起。
本实用新型的工作原理当控制系统通电后，将激光器和垂直逼近系统的步进电机电源打开，将被测试样片固定在样片承载机构上。调整使激光器发出的激光经过一级反射镜、微悬臂、二级反射镜正确到达光电探测器，调节光电探测器使接收初始电流值为0。启动步进电机进行Z方向逼近，由控制系统自动进行调整逼近状态并在已经逼近后进行提示。出现逼近提示后，启动X、Y方向精密扫描机构，通过激光束在微悬臂表面的反射光，由光电探测器得到微悬臂在扫描过程中由于摩擦力而产生的变形，光电探测器输出的电信号经过前置放大后，微悬臂的法向信号同时被输出到控制系统中的反馈电路和数字采集电路，微悬臂的横向信号被输出到控制系统中经过放大由数字采集电路进入计算机成像，得到摩擦力图像，则完成对三维结构的微机械摩擦的测量。
本实用新型克服了已有技术采用钨丝探针只能用来测量光滑表面的摩擦力，对于具有三维结构的微机械摩擦还无法进行测量的问题，由于采用独特的微悬臂和微探针进行测量，使微加工样片表面三维结构下的摩擦力得到真实反映，同时可以针对不同材料样片选用不同的微探针。由于微构件表面是由一定三维图形组成的立体结构，本实用新型对于在此种条件下的摩擦力测量提供一种简易而方便的解决办法，消除了由于微构件表面复杂三维结构而对摩擦力测量过程产生的影响，从而提供一种新型的微构件摩擦力测试仪。
图1是本实用新型结构示意图图2是本实用新型摩擦力测试主体部分的结构主视图本实用新型的实施例如图1、图2所示图中为减振工作台1、摩擦力测试主体2、光学显微镜及CCD系统3、监视器4、控制系统5、垂直逼近系统6、X和Y方向粗调机构7、X和Y方向精密扫描机构8、样片承载机构9、光电接收器调节机构10、光电接收器11、二级反射镜12、一级反射镜13、激光器14、入射光调整机构15、悬臂梁支架16、微悬臂17、微探针18。
减振工作台1可以采用简易方法自行制作，主要利用细砂、刨花、大理石板及橡胶垫制成。光学显微镜及CCD系统3是在市场上购买带CCD输出的显微镜系统。监视器4是购买的监视器。控制系统5是自行设计制作的控制系统以及计算机。摩擦力测试主体2由上下两部分组成，上半部分包括激光器14、微悬臂夹具16、微悬臂17、四像限光斑位置光电接收器11以及光电接收器调节机构10、二级反射镜12、一级反射镜13、入射光调整机构15组成。下半部分包括样片承载机构9、X和Y方向精密扫描机构8中压电陶瓷管、X和Y方向粗调机构7以及垂直逼近系统6。激光器14采用购买可见光波段的半导体激光器，从激光器14发出的光束经前反射镜13反射后，光斑落在微悬臂17本体自由端的镜面上，再经角度可调节的后反射镜12反射到四像限光电接收器11。微悬臂17为三角形结构，材料为Si3N4，背面有镀金镜面，其自由端有一个金字塔形的微探针18。光电接收器11是由一个四像限光电池组成的位置灵敏检测器。
X、Y方向扫描系统8主要由压电陶瓷构成，压电陶瓷管外壁的电极被分成四等份，管子内壁为一整体电极，在其中某电极上施加电压，管子的相应部分就会伸长或收缩，使压电陶瓷管弯曲。通过在相临的两个电极上按一定规律施加电压就可实现X-Y方向的相互垂直的移动，在Z方向上的运动是通过在管子内壁电极施加电压使管子整体收缩实现。
垂直方向逼近系统6采用步距角为0.3度的精密步进电机，步进电机带动一个密螺纹螺杆旋转，从而使探头的上半部分升降来实现样品台同微探针间距的调节。当样片承载机构9与微探针18之间的间距达到设定的工作距离时，即反射光斑在光电接收器11上移动产生的光位移电流超过预设的参考电流时，控制系统5自动发出一负脉冲信号，使步垂直方向逼近系统6的步进电机自动关闭，系统进入工作状态。在步进电机的控制下，样片承载机构9可单步升降和连续多步的快速升降。
适合测量带有微米级三维结构的样片的摩擦特性，微悬臂17与悬臂梁支架16可以调节，针对不同材料的微构件样片要更换为相应的微悬臂和微探针。
权利要求1.一种微构件摩擦力测试仪，它包括减振工作台1、光学显微镜及CCD系统3、监视器4、控制系统5，其特征在于还包括垂直摩擦力测试主体2既由逼近系统6、X和Y方向粗调机构7、X和Y方向精密扫描机构8、样片承载机构9、光电接收器调节机构10、光电接收器11、二级反射镜12、一级反射镜13、激光器14、入射光调整机构15、悬臂梁支架16，微悬臂17、微探针18组成，垂直逼近系统6中固定一个步进电机，X和Y方向粗调机构7置于垂直逼近系统6的上表面，X和Y方向粗调机构7的上面由四个螺孔通过螺栓与X和Y方向精密扫描机构8联接在一起，样片承载片9与X和Y方向精密扫描机构8本体磁性联接在一起，微悬臂17的本体上制备有微探针18，微悬臂17与悬臂梁支架16通过粘性材料粘贴在一起，光电接收器11、二级反射镜12、一级反射镜13、激光器14分别固定在壳体19上，反射镜13置于保证激光器14发出的激光光束射到微悬臂17一端部的上表面上，反射镜12置于保证微悬臂17反射的光束进入探测器11的接收面上，光电接收器调节机构10、光电接收器11、激光器14与入射光调整机构15分别通过螺栓联接在一起。
专利摘要本实用新型涉及一种对微机械构件进行摩擦力测量仪器的改进。它包括减振工作台、摩擦力测试主体、光学显微镜及CCD系统、监视器、控制系统。本实用新型由于采用独特微悬臂和微探针进行测量,使微加工样片表面三维结构下的摩擦力得到真实反映,同时可以针对不同材料样片选用不同的微探针。由于微构件表面是由一定三维图形组成的立体结构,本实用新型对于在此种条件下的摩擦力测量提供一种简易而方便的解决办法,消除了由于微构件表面复杂三维结构而对摩擦力测量过程产生的影响,从而提供一种新型的微构件摩擦力测试仪。
文档编号G01N3/40GK2453429SQ0026476
公开日2001年10月10日 申请日期2000年12月14日 优先权日2000年12月14日
发明者吴一辉, 鞠挥, 贾宏光, 郭占社, 黎海文 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所