专利名称：一种用于微小样品的六轴力学性能测量装置的制作方法
技术领域：
本发明属于力学性能微测量技术领域，具体涉及一种用于微小样品的六轴力学性能测量装置。
背景技术：
为了更好的研究MEMS的制造工艺、开发新型MEMS器件与系统、以及拓展其在工业界的应用，需要了解材料在这些工艺条件下的本构关系、热胀系数、杨式模量、粘弹性与粘塑性等力学与物理特性，以及焊点与封装结构的断裂强度、疲劳(包括热疲劳、机械疲劳)引起的失效。力学试验常常被用来确定材料的特性及其机械行为，但传统的力学试验机一般是通过丝杆螺母或者液动系统驱动，通常可以产生500～100000N的驱动力，被广泛应用于汽车、航空等领域的零件力学试验。对于微小的电子封装结构、微电子器件，宏观的测试机理已经不能应用到微观领域，连续介质理论已经不再有效，尺寸效应更加显著，这种试验机已不再适用。因此，需要研究新的测试方法，建立新的测试理论，定性、定量研究不同工艺(加工与封装工艺)条件下的形成特征，为MEMS设计、工艺提供优化参数，用于指导与改善工艺条件与设计参数。
由于MEMS器件尺寸小，且呈细条状，且有一部分为脆性材料，传统的力学试验机，其一是机器结构大，难以在机器上安装如此小的MEMS样品；其二是测量单元分辨率不足以测量微小的力和变形；其三是缺少样品对准与调节功能。在安装样品时由于不良的对准状态会造成实验结果的误差加大，有时甚至造成样品的损坏。为了满足以上要求，需要研究六轴微力传感器技术，以及精密六轴工作台技术，以及相关的加载技术。为此，美国韦恩州立大学(Wayne State University)刘胜等人在1999年研制出六轴亚μm数量级的热-机试验机。他们采用六个直流电机驱动的工作台，构成六个自由度数控的试验机，并采用六轴测力传感器监测样品安装时的力和力矩，作为反馈信息来消除微样品安装过程的预载。其直线运动精度为0.1μm，转动运动精度为0.001°。此装置还针对封装材料热疲劳试验增加了温变系统，范围温度变化-60℃～400℃，变化精度1℃。并对焊料、填料等MEMS封装材料进行了机械特性测试，以及对封装(焊点)结构失效裂纹的演变进行了研究。但由于用直流电机和丝杆螺母驱动的工作台作为驱动器，故存在运动反向间隙与疲劳试验时的频率偏低。
上述测试装置针对微小样品微力的测量要求，采用了高分辨率的六轴测力传感器与加载系统；并通过力反馈控制六轴调整工作台，来消除样品装夹时产生的预变形；以及为了研究样品的热机特性，引入了温变控制系统。但两个问题没有解决其一由于用直流电机和丝杆螺母驱动的工作台，存在运动反向间隙与疲劳试验时的频率偏低；其二是对样品变形的测量是通过工作台的位移间接获得的，工作台的刚度误差会引起测试结果的误差。
发明内容
本发明的目的是提供一种能克服上述缺陷的用于微小样品的六轴力学性能测量装置；该测量装置可以消除反向间隙，提高测试频率，其机械刚度高，并可消除工作台刚性引起的误差。
本发明提供的一种用于微小样品的六轴力学性能测量装置，包括计算机、六轴数控工作台、六轴测力传感器、加温箱和夹爪，其特征在于所述六轴数控工作台由一个永磁式直线电机和5个直流电机驱动，其中，Ry工作台装配在Z向工作台上，Rz工作台与Ry工作台连接在一起，Y向工作台与X台工作台构成二维工作台，X工作台固定在底板上，Rx工作台与Y工作台装配在一起，六轴测力传感器位于Rx工作台上，Z向工作台通过精密直线导轨与底板相连；左、右夹爪的一端作成阶梯轴状法兰，分别与六轴测力传感器及Rz工作台相连，其另一端位于加温箱内，用于固定被测的微小样品，加温箱的温度由计算机控制，六轴数控工作台及六轴测力传感器分别通过数字信号处理器与计算机相连。
上述测量装置可以增设光学逆相散射变形测量系统和高频加载装置。高频加载装置可以是PZT工作台或电磁激振器。
本发明可用于MEMS器件与封装的高频力学特性测试，可以实现在25-250℃的条件下的六轴加载与六轴力和力矩测量，包括一维加载和多维同时加载、机械和热的循环加载试验，以及高、中、低频下的疲劳试验。其中Z轴采用永磁式直线电机完全消除了反向间隙，其机械刚度是直流电机的10倍，疲劳试验频率上升到11Hz。
本发明采用PZT工作台或者电磁激振器可以实现10～500Hz的加载频率。PZT工作台主要用于微小样品的精密测量，可实现5nm的位移分辨率；电磁激振器主要用于样品的高循环疲劳测试，最高加载频率可达500Hz，幅值±5mm。也可以利用光学逆相散射法，直接测量微小样品面内与离面的三维变形，代替工作台的位移作为样品的变形，以消除工作台刚性引起的误差。
图1为一种用于微小样品的六轴力学性能测量装置的结构示意图；图2为六轴工作台示意图；图3为加温箱示意图；图4为光学逆相散射变形测量系统原理图；图5为测量装置控制系统的结构示意图；图6为微小焊点样品装夹示意图；图7为对应图6的样品的焊点在室温、应变率为5.5×10-4/s的条件下疲劳特性测试；图7(a)为裂纹进展损伤演变；图7(b)为循环软化/累进破坏；图7(c)为引起焊点失效的裂纹扩展；图8为微电子封装过程中典型填料在不同温度的黏塑性测试结果；图9为典型的焊料63Sn37Pb在不同加载速率条件下力学特性测试结果；图10为63Sn37Pb焊料蠕变的测试结果。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细的说明。
如图1所示，本测量装置包括由一个永磁式直线电机和5个直流电机驱动的六轴数控闭环控制工作台1、2、3、4、5、6、实现微小力和力矩测量的六轴测力传感器7、加温箱8、装夹样品的左夹爪11和右夹爪12、以及计算机控制系统。为实现精确测量，该装置还可以包括测量样品面内/离面变形的光学逆相散射变形测量系统9；为了实现高频测试，还可采用高频加载装置10。高频加载装置10可以是压电陶瓷工作台(简称PZT工作台)10.1或电磁激振器10.2。
六轴数控工作台的结构如图2所示。X向工作台1、Y向工作台2和Z向工作台3均为平动工作台，三者之间相互垂直。Rx工作台4、Ry工作台5和Rz工作台6分别为绕X轴、Y轴和Z轴转动的工作台。工作台1、2、4、5、6构成的5轴系统采用可选用Netec公司的直流伺服电机驱动精密滚珠丝杆与齿轮减速箱，计算机控制系统通过串口控制两个Nutec公司的控制器(每个控制器可以驱动3个直流伺服电机)，利用光电编码盘反馈控制，实现对以上5个运动方向的闭环控制，直线位移分辨率可达0.1μm，角度分辨率可达0.001°。为了提高疲劳试验的加载频率，Z向运动采用ACS公司的直线电机驱动，配合非接触直线光栅反馈控制，位移精度可达到0.1μm，行程达100mm，频响可达11Hz。Ry工作台5装配在Z向工作台3上，Rz工作台6通过过渡法兰14与Ry工作台5连接在一起，Y向工作台2通过法兰15与X台工作台1构成二维工作台，Rx工作台4与X、Y工作台1、2装配在一起，测力传感器7通过法兰16安装在Rx工作台上，X工作台固定在底板17上，Z向工作台通过精密直线导轨18与底板17相连。
实现微小力和力矩测量的六轴测力传感器可用美国JR3公司的六轴测力传感器，其量程Fx、Fy18N，Fz10N，Mx、My、Mz1.4Nm；力分辨率Fx、Fy6mN，Fz10mN，Mx、My0.3mNm，Mz0.4mNm。
如图3所示，加温箱8由计算机控制，其外壳用不锈钢薄板制作，内部衬底用15mm厚的氧化铝层19作为绝缘层，将电阻丝20埋入氧化铝层，采用精密热电偶(ACEZ 328 Type K)21进行测量，来反馈控制加热系统，可实现加热温度范围25℃～250℃，温控精度可达1℃。安装加热箱时，首先取下夹爪，将其固定后，通过加热箱的窗口，再将夹爪固定在工作台上。加温箱的窗口可以用高温石英玻璃22密封，以保证测试过程中，利用光学逆相散射方法直接获得样品的变形。
两个夹爪11、12采用低膨胀系数的不锈钢材料制作。夹爪11的一端做成阶梯轴状法兰，该端与六轴测力传感器7相连，以增大散热面积，可以有效的防止热量传递到传感器上，夹爪12通过阶梯轴状法兰与Rz工作台6相连(如果进行高频测试，需要使用高频加载装置10，这时夹爪12与装置10相连，10与Rz工作台6相连)。样品13通过加紧板(图中未画出)，用M3的螺钉锁紧固定在两个夹爪上。
光学逆相散射变形测量系统9如图4所示。由一个160mw的Ar激光器23，波长为488nm，经过光束准直装置24，经过透射反射分光镜25，以100μm直径的光斑垂直照射在样品13表面，经样品反射的复数场fi(x，y)的相位含有样品表面形貌h(x，y)的信息。复数场f(x，y)经过一个检测傅立叶变换透镜26，在透镜的焦点处的CCD阵列传感器27，接收到复数场的弗朗霍夫衍射强度I(u，v)，即傅立叶变换的幅值与该衍射强度存在等量关系I(u，v)＝｜F(u，v)｜2。另外，傅立叶变换的相位θ(u，v)可以通过相位回复算法得到。然后通过逆傅立叶变换，就找到了复数场f(x，y)，也即得到了样品表面的微轮廓形貌h(x，y)。测量过程如下计算机28控制加载系统(如工作台或者高频加载装置)运动，使样品产生变形，通过光学逆相散射变形测量系统9记录样品的变形，同时利用六轴测力传感器记录载荷大小，以实现对样品力学特性的测试。
为了进一步提高测试加载频率，可使用高频加载装置10，它可以是PZT工作台10.1，可实现精密加载，位移分辨率可达5nm，其开环响应时间小于20ms，闭环响应时间小于50ms；也可以采用电磁激振器10.2，在信号发生器29的激励下，可以产生与输入同频的信号，通过调整放大器电流，可实现频率从10～500Hz，振幅从0～±5mm的疲劳加载。使用过程中将夹爪12与之相连，然后将高频加载装置10与工作台6相连。测量时根据不同的测试要求进行选择，PZT工作台10.1主要用于精密、小应变率条件下实验，电磁激振器10.2主要用于样品的高频疲劳测试实验中。
微小六轴疲劳试验机控制系统包括模拟和数字两部分，主要是完成对工作台的精确控制、力信号的采集和存储、图像的处理和显示等。本专利采用如图5所示的控制方案，控制系统由计算机28、数字信号处理器(DSP)来实现对六轴数控工作台与六轴测力传感器的控制与数据采集。CPU通过串口与DSP1进行通讯，控制两个型号为Micromatic-5的Nutec控制器，实现对上述5轴工作台的驱动，包括X、Y、Rx、Ry、Rz；通过两个16位的I/O端口与DSP2、DSP3通信，分别控制型号为SB214的Acs直线电机控制器，驱动Z向的直线电机，以及实现对JR3公司的六轴力传感器的数据采集；利用并口EPP模式实现对PZT工作台的闭环控制，实现精密加载；发送控制信号经过D/A转换31和控制开关电路30来实现电磁激振器的通断，得到与信号发生器输入同频率的周期运动，其频率可在10-500Hz间连续可调，幅值在±5mm连续可调，实现高频加载；对于样品变形的精确测量需要采用光学逆相散射变形测量系统9对样品变形直接测量。
以下是本上述微小六轴疲劳试验机的性能参数●X、Y向两个直线运动参数行程100mm位移分辨率0.1μm移动速度0.25mm/s重复定位精度1μm滞回误差3.5μm●Rx、Ry、Rz三个转动运动参数转角分辨率0.001°●Z向直线运动参数行程100mm驱动力32N最大运动速度1.5m/s最大加速度10g定位精度0.1μm●六轴力传感器量程Fx、Fy18N，Fz10N，Mx、My、Mz1.4Nm力分辨率Fx、Fy6mN，Fz10mN，Mx、My0.3mNm，Mz0.4mNm●加温箱温度温度范围25～250℃温度控制精度1℃●PZT工作台行程50μm位移分辨率5nm
闭环响应频率20Hz开环响应频率100Hz●电磁激振器振幅0～±5mm频率10～500Hz●3D变形光学逆散射相位法检测分辨率5-100nm检测范围100μm●计算机控制系统Pentium III 933MHz，Windows98系统，Visual C++6.0采用上述试验机对微小样品进行试验测试，首先按照标准样品尺寸制作好微小样品13，然后将样品装夹在夹爪11、12上。通过六轴力传感器7的读数反馈控制六轴工作台移动1、2、3、4、5、6，以消除样品装夹的预变形。然后，就可以对微小样品进行相关的力学特性实验，如拉伸、压缩、松弛、蠕变、疲劳、循环加载、扭转、以及剪切实验。实验过程中，控制工作台运动可实现六个方向的单轴、多轴同时加载，利用计算机28采集六轴力传感器(7)的输出来记录载荷大小，样品的变形可以通过两种方式来获得对于一般精度的测试，通过工作台的位移来间接表示样品的变形；对于精密测量，当工作台的刚度误差不能忽略时，通过光学逆相散射变形测量系统9来直接测量样品的变形，以消除工作台刚性问题引起的误差。对于疲劳破坏等实验，为了提高测试效率，可以使用高频加载装置10对样品进行循环加载，可以实现10-500Hz的高环疲劳测试，其中10.2主要用于样品的高频疲劳实验，10.1用于微小样品的精密实验力学特性测试。
权利要求
1.一种用于微小样品的六轴力学性能测量装置，包括计算机、六轴数控工作台、六轴测力传感器、加温箱和夹爪，其特征在于所述六轴数控工作台(1、2、3、4、5、6)由一个永磁式直线电机和5个直流电机驱动，其中，Ry工作台(5)装配在Z向工作台(3)上，Rz工作台(6)与Ry工作台(5)连接在一起，Y向工作台(2)与X台工作台(1)构成二维工作台，X工作台(1)固定在底板(17)上，Rx工作台(4)与Y工作台(2)装配在一起，六轴测力传感器(7)位于Rx工作台(4)上，Z向工作台(3)通过精密直线导轨(18)与底板(17)相连；左、右夹爪(11、12)的一端作成阶梯轴状法兰，分别与六轴测力传感器(7)及Rz工作台(6)相连，其另一端位于加温箱(8)内，用于固定被测的微小样品，加温箱(8)的温度由计算机(28)控制，六轴数控工作台(1、2、3、4、5、6)及六轴测力传感器(7)分别通过数字信号处理器(33.1、33.2、33.3)与计算机(28)相连。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于该测量装置设置有光学逆相散射变形测量系统(9)，激光器(23)发射的激光经过光束准直装置(24)和透射反射分光镜(25)，照射在被测样品表面，其反射光至傅立叶变换透镜(26)，该透镜(26)的焦点处设有CCD阵列传感器(27)，计算机(28)通过图象卡(34)与CCD阵列传感器(27)相连。
3.根据权利要求1或2所述的测量装置，其特征在于该测量装置还包括高频加载装置(10)，它位于右夹爪(12)及Rz工作台(6)之间，由计算机(28)进行控制。
4.根据权利要求3所述的测量装置，其特征在于高频加载装置(10)为压电陶瓷工作台(10.1)，它通过并口与计算机(28)相连。
5.根据权利要求3所述的测量装置，其特征在于高频加载装置(10)为电磁激振器(10.2)，计算机(28)发出的控制信号经过D/A转换(31)和控制开关电路(30)控制电磁激振器(10.2)的通断，信号发生器(29)输入信号给电磁激振器(10.2)，实现高频加载。
6.根据权利要求3所述的测量装置，其特征在于高频加载装置(10)包括压电陶瓷工作台(10.1)和电磁激振器(10.2)；压电陶瓷工作台(10.1)通过并口与计算机(28)相连；计算机(28)发出的控制信号经过D/A转换(31)和控制开关电路(30)控制电磁激振器(10.2)的通断，信号发生器(29)输入信号给电磁激振器(10.2)，实现高频加载。
全文摘要
本发明针对传统的力学试验机不能满足微机械(MEMS)等微小样品的测试需要，研究开发了一种用于微小样品的六轴力学性能测量装置，它包括精密六轴数控工作台、六轴测力传感器、加温箱和计算机控制系统。六轴数控工作台由一个永磁式直线电机和5个直流电机驱动。本装置可完成对微小样品的力学特性、机械行为和热－机特性测试。在Z向上使用PZT工作台或者电磁式激振器配合直线电机，可实现10－500Hz的动态加载频率；以及采用光学逆相散射法，直接测量微小样品面内与离面的三维变形，以消除工作台刚性引起的误差。
文档编号G01N3/30GK1492224SQ0312536
公开日2004年4月28日 申请日期2003年9月2日 优先权日2003年9月2日
发明者王志勇, 刘胜, 张鸿海, 史铁林, 汪海英, 汪学方, 朱福龙, 贺德建 申请人:华中科技大学