专利名称：微机械力学性能测试仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种精密测量仪器，特别涉及一种微机械力学性能测试仪。
对于微小构件力学性能的测试，目前国内外已经发展了一些方法和测试仪器，如用振动技术测量一个板的残余应力，用静电驱动的试验装置测量微机电系统的材料性能(如杨氏模量、残余应力)，硅微机电系统的临界裂纹生长的试验，用悬臂梁和薄膜扩管试验方法测量薄膜的机械性能(如杨氏模量、断裂强度)。我们也进行了一些微机械的力学性能研究用电磁加载的微冲击试验台进行断裂韧性和疲劳强度的测试，用固有频率测微悬臂梁的杨氏模量和内应力。除此之外，日本的一些研究单位通过小型拉伸机进行弹性模量的测试，Sharp等人开发了一种小型拉伸机(测量泊松比)。总之，从已报道的文献看，还没有真正的微小构件力学性能测试仪，大多是测量方法的探讨，还没有形成完整的仪器。有些虽然形成了仪器，但其功能较少，且没有考虑微小构件的结构对测量结果的影响。一些测试实验设计巧妙，但却把大多数的精力集中在微测试构件的制造之上，例如上面提到日本研制的小体积材料性能测试机，通过专门的工艺制造微小试件，试件两端粘结在拉伸机的卡具上，通过拉伸实验得到杨氏模量、泊松比、屈服极限、硬化指数等。这些测试方法可以得到一些构件的力学性能，但试件制造较麻烦，且由于尺寸、工艺的影响，其测试性能和实际构件的实用性能不完全一致。由于微小构件尺寸很小，拉伸时很难夹持，目前，国内一些单位研制的亚微米压入仪存在瞄准、分辨率、热漂等问题阻碍了它的推广，因此，还没有真正意义的纳米压入设备，更没有专门针对MEMS器件和小体积材料的专用材料性能测试设备。
本实用新型的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提出一种可适于各种材料的微机械力学性能测试仪，本测试仪能够进行包括薄膜、MEMS器件、各种微机械小器件的力学性能测试，对不同尺度、小体积材料和微小构件力学性能进行研究。
本实用新型通过探头压入得到载荷---位移曲线，进而分析得到微构件的各种力学性能，还采用了压头的振动得到微构件材料的疲劳强度，克服了传统方法对构件的苛刻要求，具有较大的适用性。
本实用新型包括压头卡具、真空装夹机构、Z向驱动装置、激光器、X/Y工作台、电容测微仪、CCD摄像机等。
附
图1是本实用新型的结构原理图。
附图2A是本实用新型真空装夹机构的俯视图。
附图2b是本实用新型真空装夹机构的结构图。
以下结合附图对本实用新型的结构原理和工作原理做进一步说明。
参见图1，本实用新型包括一底座7，在底座7上连接有倒U形支架6和Z向驱动装置5，Z向驱动装置5上固定一X/Y工作台4，工作台4内配置一力传感器3用于检测压入力，X/Y工作台4上部装有采用阻尼孔和真空腔完成微构件固定的真空装夹机构10(参见图2)。真空装夹机构10包括上端盖16，上端盖16上开有与腔体18相通的阻尼孔15，上端盖16、下端盖18与腔体17均通过螺纹连接，试件14平放在阻尼孔15之上。在倒U形支架6内上部装有采用压电陶瓷-柔性铰链加载机构组成的进给装置11，在进给装置11的输出端连接压头卡具1，压头卡具1上固定有装点压头12，在压头12靠近压入位置固定一平板13；电容测微仪8的两极板，一端固定在平板13上，另一端固定在进给装置11的静止部分，在倒U形支架6的一内侧固定一CCD摄像机9，CCD摄像机9配置有较大景深的显微镜头，进给装置11的静止部分、压头卡具1的侧面紧固一激光器2，使射出光线正射在压头12的尖端。
本实用新型的工作过程是1、Z向驱动装置5在步进电机的驱动下开始进给，当进给至距压头10μM左右时停止；2、这时进给装置11开始以10μM/SHP逼近装在真空装夹机构10内的微构件试件，真空装卡机构利用阻尼孔15吸附试件14，当连续抽真空时，腔体17内呈负压，而表面的未装卡试件14的孔成了阻尼孔，孔两端的压差取决于通过孔的气体流量，控制保持腔体17内的压力达到已衡值，从而可以把试件14紧紧固定在上端盖16上，直到力传感器3得到输出信号停止；3、然后进给装置11继续加载，力传感器3记录力和位移输出值，以此得到载位移曲线；4、Z向驱动装置5动作，驱动装在真空装夹机构10内的微构件试件远离压头；5、CCD摄像机9记录压入形貌，并输入到计算机。
通过加载头加载可得到位移载荷曲线、保载曲线。根据上述曲线，通过理论分析可以得到以下的参数(1)弹性模量和硬度(2)塑性性能屈服强度，硬化指数，蠕变(3)断裂韧性对于脆性材料，通过压痕裂缝的分析可得到材料的断裂性能。
通过用球加载头对微构件进行冲击加载、微循环载荷的冲击加载，得到微构件的疲劳强度和冲击后的形貌。
(1)用球加载头对微构件进行冲击并同步拾取位移和力信号，通过分析可得到断裂韧性，用光学显微镜CCD系统观察冲击后的微构件形貌。
(2)通过对微构件进行微循环冲击加载并由计算机计数，可得到微构件的疲劳强度。
用压电陶瓷---柔性铰链加载机构对试件表面加载，微电容测微仪测压入深度。
通过在工作台上加一些附件(包括装夹附件、振动传感器等)，可对微机电系统进行振动试验。
采用纳米压入仪和计量型原子力显微镜等标定位移和力传感器。
理论分析包括对微构件的力学性能进行建模、计算和分析，冲击裂纹的分析与计算。建立、积累微机械力学性能库。
本实用新型与背景技术比较，具有以下效果1、价格低廉。测试仪的研制价格在40万元左右，批量生产，成本还可以降低。而国外产品，NANOINDENTER-2价格在28多万美元，MTS生产的压入设备NANOINDENTER XP价格更高。
2、性能能够满足MEMS器件材料力学性能的研究。本测试仪主要性能指标是位移范围为1000μm，位移分辨率10nm，最大载荷200N，力分辨率100nN，基本能够满足MEMS器件的材料力学性能测试。NanoIndenter XP的主要性能指标位移分辨率小于0.02nm，压入深度500μm，最大载荷500mN，力分辨率50nN，它主要用于各种薄膜，超薄膜的力学性能测试，可以用MEMS器件的性能测试。
3、本测试仪主要针对各种MEMS构件力学性能的测试，考虑了各种微构件的装夹，定位问题，通过真空装夹机构，专用导轨等附件完成微构件的测试，这是目前MTS公司所没有考虑的。
4、本测试仪实现试件的自动测试。软件模块分析作为必要部分，NanoIndenter XP也是自动操作，其载荷---位移曲线分析软件是作为商品单独出售。
权利要求1.微机械力学性能测试仪，包括一底座(7)，在底座(7)上连接有倒U形支架(6)和Z向驱动装置(5)，其特征在于，所说的Z向驱动装置(5)上固定一X/Y工作台(4)，工作台(4)内配置一力传感器(3)，X/Y工作台(4)上部装有真空装夹机构(10)，倒U形支架(6)内上部装有进给装置(11)，在进给装置(11)的输出端连接压头卡具(1)，压头卡具(1)上固定有装点压头(12)，在压头(12)靠近压入位置固定一平板(13)，电容测微仪(8)的两极板，一端固定在平板(13)上，另一端固定在进给装置(11)的静止部分。
2.根据权利要求1所述的微机械力学性能测试仪，其特征在于，所说的真空装夹机构(10)包括上端盖(16)，上端盖(16)上开有与腔体(18)相通的阻尼孔(15)，上端盖(16)、下端盖(18)与腔体(17)均通过螺纹连接。
3.根据权利要求1所述的微机械力学性能测试仪，其特征在于，所说的倒U形支架(6)的一内侧固定一CCD摄像机(9)，CCD摄像机(9)配置有较大景深的显微镜头，进给装置(11)的静止部分、压头卡具(1)的侧面紧固一激光器(2)。
4.根据权利要求1所述的微机械力学性能测试仪，其特征在于，所说的进给装置(11)由压电陶瓷一柔性铰链加载机构组成。
专利摘要一种微机械力学性能测试仪,由压头卡具、真空装夹机构、Z向驱动装置、激光器、X/Y工作台、电容测微仪、CCD摄像机等组成,薄膜、MEMS器件、各种微机械小器件的力学性能测试,对不同尺度、下体积材料和微小构件力学性能进行研究。
文档编号G01L3/10GK2412212SQ00226180
公开日2000年12月27日 申请日期2000年3月9日 优先权日2000年3月9日
发明者蒋庄德, 王海容, 赵则祥, 王朝晖, 陈伟, 伊燕玲, 赵玉龙 申请人:西安交通大学