微构件拉伸测试装置制造方法
【专利摘要】微构件拉伸测试装置，涉及一种微构件力学性能测试装置。本发明可实现对微米尺度构件的力学性能静态参量测量及疲劳特性的探究。两根导轨固定在L形底座上；精密驱动单元固定在右载物平台上，动载物台与精密驱动单元固接，静、动载物台上有一用于固定微构件的定位槽，静载物台与微力传感器固接，微力传感器与力传感器固定块固接，力传感器固定块与左载物平台固接，光栅尺安装在精密驱动单元前侧或后侧面上，右载物平台上固定有读数头安装架，度数头固定在读数头安装架上；右载物平台与丝杠螺母副的丝杠螺母固接，右载物平台通过四个右滑块与两根导轨滑动连接，步进电机驱动丝杠螺母副运动，左载物平台相对导轨固定不动。本发明用于微构件力学性能测试。
【专利说明】微构件拉伸测试装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种微构件力学性能测试装置。
【背景技术】
[0002]惯导系统高弹性合金微构件在地面加载测试中极容易断裂失效，惯性传感器中微构件的特征尺寸大致在亚微米到毫米的范围内。当细微到微米/纳米尺度后，由于尺寸效应，微构件材料本身的物理性质及其受环境影响的程度等都会发生很大改变，其力学特性以及所受体积力和表面力的相对关系等也会发生显著的变化。宏观条件下材料的力学性能参数已远远不能满足MEMS系统结构的设计要求，而由微小试件带来的一系列技术问题使得传统的测试方法和装置也已不再适用。
[0003]近年来，国内外学者越来越重视微构件材料力学性能的研究，提出了一些新的测试方法和测试装置。但是，各种方法测得的数据分散性较大，甚至连最基础的弹性模量都没有一个一致公认的结果。在微构件设计和进行可靠性分析时，由于缺乏有关微构件材料力学性能的基础数据，目前还没有建立起一个有效的设计准则，导致成品率低，可靠性差，这严重阻碍了 MEMS的发展。
[0004]材料的力学性能测试中常用的方法包括单轴拉伸法、纳米压痕法、鼓膜法、微梁弯曲法和衬底曲率法等。其中，最常用的方法是单轴拉伸法，微拉伸实验是测量微米级材料弹性模量、泊松比、屈服强度和断裂强度最直接的方法，拉伸实验的数据容易解释，测试结果比弯曲实验可靠。但是由于试样尺寸微小，微构件的对中、装夹、微位移驱动以及微小载荷和微位移的测量等一系列技术难题使得传统的测试方法和装置也已不再适用。目前测试装置还没有统一的标准，而且大部分测试装置结构都比较复杂，所需仪器都很昂贵，测试数据分散性很大。如何最大限度的减少测试误差，保证获得精确一致的测试结果，提高测试效率，使测试数据能够迅速加以处理而进行反馈监控或直接应用于生产实践，这些问题对科研人员来说是亟待突破的难关也是挑战。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种微构件拉伸测试装置，以实现对微米尺度构件的力学性能静态参量测量及疲劳特性的探究。
[0006]本发明解决上述问题采取的技术方案是:
本发明的微构件拉伸测试装置，它包括精密驱动单元、微力传感器、直线光栅测量装置、高精度电移台、载物台、力传感器固定块、两个固定件，所述的高精度电移台包括左载物平台、右载物平台、丝杠螺母副、L形底座、支撑座、步进电机、四个左滑块、四个右滑块、两根导轨，所述的载物台包括动载物台和静载物台，所述的直线光栅测量装置包括光栅尺读数头安装架、读数头和光栅尺，
所述的L形底座的长板水平设置，所述的两根导轨平行于L形底座的长边并固定在L形底座的长板上；所述的左载物平台和右载物平台左右并列设置，所述的精密驱动单元固定在右载物平台上表面，所述的动载物台与精密驱动单元的左侧面固定连接，所述的静载物台与动载物台相邻且相对应设置，静载物台与动载物台的上表面对应位置分别加工有一用于固定微构件的定位槽；所述的静载物台、微力传感器及力传感器固定块由右至左依次设置在左载物平台的上表面，且静载物台与微力传感器固定连接，微力传感器与力传感器固定块固定连接，力传感器固定块与左载物平台的上表面固定连接，所述的光栅尺安装在精密驱动单元的前侧面或后侧面上，右载物平台上与光栅尺位于同侧的侧面上固定有读数头安装架，所述的度数头与光栅尺相对设置并固定在读数头安装架上；所述的右载物平台的下表面与丝杠螺母副的螺母固定连接，丝杠螺母副的丝杠一端与支撑座转动连接，丝杠螺母副的丝杠另一端与L形底座的短板转动连接，支撑座与L形底座的长板固定连接，右载物平台的下表面与呈矩形设置的四个右滑块固定连接，四个右滑块与两根导轨滑动连接，所述的步进电机固定于L形底座的短板上，步进电机驱动丝杠螺母副运动；左载物平台的下表面与呈矩形设置的四个左滑块固定连接，四个左滑块设置在两根导轨上，设置在同一根导轨上的两个左滑块之间安装有一与导轨固定连接的固定件，工作中左载物平台相对导轨固定不动，右载物平台相对导轨进行运动。
[0007]本发明相对于现有技术的有益效果是:本发明不仅可实现微构件微拉伸静态测试，并且与动态测试结合，利用精密驱动单元带动动载物台对微构件进行0_4kHz的拉拉疲劳加载，微构件夹持可靠；采用高精度的力传感器(精度5mN)，实现载荷的精确测量；采用高精度直线光栅测量装置实现微位移的精确检测，分辨率为5nm，便于安装调试。该装置不仅能实现微构件静态参量的测量，如弹性模量、屈服强度、断裂强度的测量，而且还能实现对疲劳特性的探究，如疲劳强度。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1是本发明的微构件拉伸测试装置的总体装配图；
图2是图1中的精密驱动单元装配图；
图3是图1的A处局部放大图。
[0009]上述图中涉及到的部件名称及标号分别为:
L形底座1、步进电机2、支撑座3、力传感器固定块4、微力传感器5、静载物台6、微构件7、动载物台8、精密驱动单元9、柔性铰链9-1、垫片9-2、钢珠9-3、安装孔9_4、预紧螺钉9-5、压电陶瓷9-6、丝杠螺母副10、右载物平台11、右滑块12、光栅尺读数头安装架13、导轨14、读数头15、光栅尺16、固定件17、左滑块18、左载物平台19。
【具体实施方式】
[0010]如图f图3所示，微构件拉伸测试装置，它包括精密驱动单元9、微力传感器5、直线光栅测量装置、高精度电移台、载物台、力传感器固定块4、两个固定件17，所述的高精度电移台包括左载物平台19、右载物平台11、丝杠螺母副10、L形底座1、支撑座3、步进电机
2、四个左滑块18、四个右滑块12、两根导轨14，所述的载物台包括动载物台8和静载物台6，所述的直线光栅测量装置包括光栅尺读数头安装架13、读数头15和光栅尺16，
所述的L形底座I的长板水平设置，所述的两根导轨14平行于L形底座I的长边并固定在L形底座I的长板上；所述的左载物平台19和右载物平台11左右并列设置，所述的精密驱动单元9固定在右载物平台11上表面，所述的动载物台8与精密驱动单元9的左侧面固定连接，所述的静载物台6与动载物台8相邻且相对应设置，静载物台6与动载物台8的上表面对应位置分别加工有一用于固定微构件7的定位槽，利用微细铣削技术，加工出定位槽；所述的静载物台6、微力传感器5及力传感器固定块4由右至左依次设置在左载物平台19的上表面，且静载物台6与微力传感器5固定连接，微力传感器5与力传感器固定块4固定连接，力传感器固定块4与左载物平台19的上表面固定连接，所述的光栅尺16安装在精密驱动单元9的前侧面或后侧面上，右载物平台11上与光栅尺16位于同侧的侧面上固定有读数头安装架13，所述的度数头15与光栅尺16相对设置并固定在读数头安装架13上；所述的右载物平台11的下表面与丝杠螺母副10的螺母固定连接，丝杠螺母副10的丝杠一端与支撑座3转动连接，丝杠螺母副10的丝杠另一端与L形底座I的短板转动连接，支撑座3与L形底座I的长板固定连接，右载物平台11的下表面与呈矩形设置的四个右滑块12固定连接，四个右滑块12与两根导轨14滑动连接，进行导向，所述的步进电机2固定于L形底座I的短板上，步进电机2驱动丝杠螺母副10运动；左载物平台19的下表面与呈矩形设置的四个左滑块18固定连接，四个左滑块18设置在两根导轨14上，设置在同一根导轨14上的两个左滑块18之间安装有一与导轨14固定连接的固定件17，工作中左载物平台19相对导轨14固定不动，右载物平台11相对导轨14进行运动。
[0011]所述的微力传感器5为商用传感器，微力传感器5型号是GS0-1000-T。
[0012]所述的精密驱动单元9包括柔性铰链机构9-1、预紧螺钉9-5、压电陶瓷9_6、两个垫片9-2、两个钢珠9-3、三个安装孔9-4，所述的柔性铰链机构9-1中部设有凹槽，所述的压电陶瓷9-6设置于柔性铰链机构9-1的凹槽内，压电陶瓷9-6两端分别通过钢珠9-3、垫片9-2与柔性铰链机构9-1的凹槽内壁相接触，柔性铰链机构9-1上设有三个用于与右载物平台11固定连接的安装孔9-4，安装孔9-4内穿入螺钉，柔性铰链机构9-1通过螺钉与右载物平台11固定连接，柔性铰链机构9-1的右端面加工有螺纹孔，所述的预紧螺钉9-5与柔性铰链机构9-1的螺纹孔螺纹连接，预紧螺钉9-5通过垫片9-2及钢珠9-3预压紧压电陶瓷9-6。
[0013]精密驱动单元9不仅可以实现简单拉伸位移的驱动，而且可以实现微构件的一定频率的疲劳加载。
[0014]本测试装置可与CXD测试系统或其他测试设备进行集成，便于实现原位监测。
[0015]具体测试方法一:本测试装置放置在大理石隔振平台上，实验室环境洁净、恒温。首先打开控制系统总电源，压电陶瓷控制电源预热30分钟。调整动、静载物台的位置，使其标记中心线重合(最好利用CCD辅助调整)。然后，用镊子将微细铣削工艺加工的微构件取出，用胶粘在动、静载物台的定位槽中。通过调整，将动、静载物台的中心线与微构件中心重合(最好在CCD相机视场对中)，在CCD辅助下进行测试。利用压电陶瓷驱动器控制精密驱动单元，对微构件进行拉-拉循环疲劳加载，当循环周次达到设定值时，疲劳测试结束。再进行微拉伸测试，精密驱动单元带动动载物台对微构件进行拉伸，直至微构件拉断，记录测试数据并进行数据处理。最后用丙酮溶液浸润被拉断的微构件，5分钟后用镊子将微构件取下，测试过程结束。
[0016]具体测试方法二:准备工作同方法一，对微构件直接进行微拉伸测试，测量试件的静态力学性能。
【权利要求】
1.一种微构件拉伸测试装置，其特征是:它包括精密驱动单元(9)、微力传感器(5)、直线光栅测量装置、高精度电移台、载物台、力传感器固定块(4)、两个固定件(17)，所述的高精度电移台包括左载物平台(19)、右载物平台(11)、丝杠螺母副(10)、L形底座(I)、支撑座(3)、步进电机(2)、四个左滑块(18)、四个右滑块(12)、两根导轨(14)，所述的载物台包括动载物台(8)和静载物台(6)，所述的直线光栅测量装置包括光栅尺读数头安装架(13)、读数头(15)和光栅尺(16)， 所述的L形底座(I)的长板水平设置，所述的两根导轨(14)平行于L形底座(I)的长边并固定在L形底座(I)的长板上；所述的左载物平台(19)和右载物平台(11)左右并列设置，所述的精密驱动单元(9)固定在右载物平台(11)上表面，所述的动载物台(8)与精密驱动单元(9)的左侧面固定连接，所述的静载物台(6)与动载物台(8)相邻且相对应设置，静载物台(6)与动载物台(8)的上表面对应位置分别加工有一用于固定微构件(7)的定位槽；所述的静载物台(6)、微力传感器(5)及力传感器固定块(4)由右至左依次设置在左载物平台(19)的上表面，且静载物台(6)与微力传感器(5)固定连接，微力传感器(5)与力传感器固定块(4)固定连接，力传感器固定块(4)与左载物平台(19)的上表面固定连接，所述的光栅尺(16)安装在精密驱动单元(9)的前侧面或后侧面上，右载物平台(11)上与光栅尺(16)位于同侧的侧面上固定有读数头安装架(13)，所述的度数头(15)与光栅尺(16)相对设置并固定在读数头安装架(13)上；所述的右载物平台(11)的下表面与丝杠螺母副(10)的螺母固定连接，丝杠螺母副(10)的丝杠一端与支撑座(3)转动连接，丝杠螺母副(10)的丝杠另一端与L形底座(I)的短板转动连接，支撑座(3)与L形底座(I)的长板固定连接，右载物平台(11)的下表面与呈矩形设置的四个右滑块(12)固定连接，四个右滑块(12)与两根导轨(14)滑动连接，所述的步进电机(2)固定于L形底座(I)的短板上，步进电机(2)驱动丝杠螺母副(10)运动；左载物平台(19)的下表面与呈矩形设置的四个左滑块(18)固定连接，四个左滑块(18)设置在两根导轨(14)上，设置在同一根导轨(14)上的两个左滑块(18)之间安装有一与导轨(14)固定连接的固定件(17)，工作中左载物平台(19)相对导轨(14)固定不动，右载物平台(11)相对导轨(14)进行运动。
2.根据权利要求1所述的微构件拉伸测试装置，其特征是:所述的精密驱动单元(9)包括柔性铰链机构(9-1)、预紧螺钉(9-5)、压电陶瓷(9-6)、两个垫片(9-2)、两个钢珠(9-3)、三个安装孔(9-4)，所述的柔性铰链机构(9-1)中部设有凹槽，所述的压电陶瓷(9-6)设置于柔性铰链机构(9-1)的凹槽内，压电陶瓷(9-6)两端分别通过钢珠(9-3)、垫片(9-2)与柔性铰链机构(9-1)的凹槽内壁相接触，柔性铰链机构(9-1)上设有三个用于与右载物平台(11)固定连接的安装孔(9-4)，柔性铰链机构(9-1)的右端面加工有螺纹孔，所述的预紧螺钉(9-5)与柔性铰链机构(9-1)的螺纹孔螺纹连接，预紧螺钉(9-5)通过垫片(9-2)及钢珠(9-3)预压紧压电陶瓷(9-6)。
【文档编号】G01N3/32GK104007028SQ201410271032
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年6月18日 优先权日:2014年6月18日
【发明者】车琳, 王波, 李国 , 丁飞, 王石磊 申请人:哈尔滨工业大学