专利名称：微力学测试仪及其测试方法
技术领域：
本发明涉及一种用于测试微尺度试样力学性能的仪器，具体的说，涉及一种用拉伸、弯曲、剪切、扭转等方式对微尺度试样的力学性能进行测试的仪器及其测试方法。
背景技术：
微电子机械(MEMS)行业的发展迫切需要可靠测试微尺度试样的力学性能。目前，用于微尺度试样力学性能的测试的仪器，主要有纳米压痕仪，该仪器的特点是擅长对试样进行压痕实验，即压头在试样表面压入一定深度，通过获得的加卸载曲线，根据相关的力学模型对数据进行转换，得到被测试样的硬度和模量等力学参数。这种仪器结构设计特点决定了其擅长“压”的测试方式，而不能进行拉伸、剪切、扭转等测试。而单轴拉伸测试具有力学模型简单、数据分析方便、得到的结果意义直观明确等优点，已经在宏观力学测试领域被广泛采用，因此人们迫切希望采用单轴拉伸的方法研究微尺度试样的力学性能。
于是有人尝试将传统宏观的材料试验机的载荷和位移分辨力进行提高，应用于微尺度试样的力学性能测试。但是由于传统材料试验机采用马达驱动的方式，其载荷测量采用应变片式的载荷传感器，这些结构特点决定了该类仪器在应用于微尺度试样的力学性能测试时无法获得更为理想的测量精度，另外，在测量微尺度试样的微小的载荷(力)和位移时，仪器本身的结构响应会严重影响测试结果的可靠性。因此迫切需要研制一种新的测试仪器及配套的数据处理方法，用于对微尺度试样进行拉伸测试，在微尺度力学测试领域实现传统材料试验机的功能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种针对微尺度试样的进行单轴拉伸测试的仪器及其测试方法，以获得微尺度试样的力学性能。
为达到上述目的，本发明提供的微力学测试仪包括一计算机，该计算机包括一信号发生模块和一信号采集模块；一输入端与信号发生模块电连接的功率放大器；一用来对试样进行加载的测试仪主机，该测试仪主机和功率放大器输出端以及计算机的信号采集模块电连接；所述测试仪主机包括一主机框架，该框架包括一底座1、一侧板15；一固定安装在主机框架1底座上的磁钢13；依次固连的线圈框架14、拉伸轴2、下夹具10，其中线圈框架14套在磁钢13的内磁极上，拉伸轴2上固连悬浮弹簧组11，悬浮弹簧组11的另一端与测试仪主机框架固连；一缠绕在线圈框架14上的线圈12；一竖直安装在侧板15上的电动立柱6；一安装在拉伸轴2上的活动电极板3；一安装在电动立柱6上可沿电动立柱6上下移动的悬臂梁7；一安装在悬臂梁7下侧的上定位台8，该上定位台8是二维微调机构；一安装在主机框架上的高分辨力位移传感器5。
所述高分辨力位移传感器为非接触式位移传感器，所述非接触式位移传感器为电容式位移传感器、电涡流位移传感器或光纤位移传感器。
所述测试仪主机中的非接触式位移传感器为电容式位移传感器，所述测试仪主机还包括一安装在位移传感器5下侧的位移传感器电极板4，该位移传感器电极板4与活动电极板3构成电容。
本发明提供的微力学测试仪的测试方法，包括下述步骤1)用计算机控制信号发生模块产生一电压信号，该信号经功率放大器放大后驱动测试仪主机工作；2)用计算机上的信号采集模块采集位移信号和线圈的驱动信号；3)将采集的位移信号和线圈的驱动信号分别换算为位移和载荷值；4)对步骤3)中得到的一系列位移值和载荷值，按照力学模型进行数据处理，得出被测试样的杨氏模量和强度极限。
所述步骤3)中，包括下述子步骤31)将采集的位移和线圈的驱动信号转换为相应的位移和载荷值；32)将步骤31)得到的载荷值减去悬浮弹簧上分担的载荷，得到真正作用在试样上的载荷；33)将步骤31)中得到的位移减去框架变形引起的位移，得到试样上真正的位移。
所述步骤4)中，包括下述子步骤41)由步骤3)中得出的位移和载荷值得到位移-载荷曲线；42)根据位移-载荷曲线，按照力学模型进行数据处理，得出被测试样的杨氏模量。
所述步骤4)中，步骤42)还包括子步骤42a)，步骤42a)为从载荷-位移曲线上找到试样发生断裂的时刻对应的载荷，用该载荷除以试样标距段的横截面积得到强度极限。
所述步骤32)中悬浮弹簧上分担的载荷等于悬浮弹簧刚度和步骤31)中得到的位移的乘积。
所述步骤33)中框架变形引起的位移等于步骤32)中得到的载荷除以微力学测试仪主机框架刚度。
由于采用电磁加载方式，使得测试仪的分辨力得以大幅度提高，这是目前常规材料试验机无法实现的。由于可以通过拉伸的方法直接对微尺度试样进行测试，因而和压痕法相比可以得到意义更为直观明确的杨氏模量、强度极限等力学参数，为微尺度力学测试开辟新的领域。
图1为本发明提供的微力学测试仪测试系统示意图；图2为微力学测试仪主机结构示意图；图3为用本发明提供的微力学测试仪测试得出的康铜丝拉伸试验曲线；图4为本发明提供的微力学测试仪主机的动力学模型图；图5为本发明提供的微力学测试仪测试方法流程图。
图6为功率放大器电路图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明图1所示的是本发明提供的微力学测试仪的组成框图，包括一计算机，该计算机包括一信号发生模块和一信号采集模块；一输入端与信号发生模块电连接的功率放大器；一与功率放大器输出端电连接的测试仪主机，该测试仪主机向计算机的信号采集模块反馈位移信号和载荷信号。
本实施例中，信号发生模块采用阿尔泰公司的PCI2007A，信号采集模块采用凌华公司的DAQ2006，功率放大器的电路图如图6所示，其中为SYN-25-D12A开关稳压电源，DM4C-DV20为三位半数字面板表，ELH0021为功率运算放大器。该功放的电路为普通功放电路，其优点在于采用了低噪声的ELH0021作为为功率运算放大器，使得整个功放的噪声降低。在进行微尺度力学测试时，如果换用其它型号噪声较大的功放，本发明提供的仪器仍然可以运行，只是测量精度变差，测量微小信号的能力降低，甚至在小信号情况下无法获得有用的测试数据。
测试仪主机的结构如图2所示，包括主机框架、拉伸轴2、活动电极板3、位移传感器电极板4、电容式位移传感器5、电动立柱6、悬臂梁7、上定位台8、上夹具9、下夹具10、悬浮弹簧组11、线圈12、磁钢13、线圈框架14。其中主机框架包括底座1和侧板15，磁钢13固定在底座1中央，该磁钢13的磁隙内形成一近似均匀的磁场，线圈框架14套放在磁钢13的内磁极上，置于该近似均匀磁场中。线圈框架14上绕有线圈12，其顶部与拉伸轴2固连，拉伸轴2顶部固定安装有下夹具10。在拉伸轴2侧面安装悬浮弹簧组11，该悬浮弹簧组11由上下两组弹簧组成，其中弹簧呈水平状态，一端固连在作用轴上，另一端固连在仪器框架上。线圈框架14、拉伸轴2和下夹具10固连而成的整体由悬浮弹簧组11悬浮支撑，可以在竖直方向上自由运动。
在主机框架的侧板15的上竖直安装一电动立柱6，该电动立柱6上安装有悬臂梁7，该悬臂梁7由电动立柱6承载，可以上下调节高度，以便于测试不同长度的试样。悬臂梁7的下侧固定安装一上定位台8，该上定位台8为二维微调机构(本实施例采用卓立汉光公司生产的TSMW13-XY-1A整体式位移台)，其下侧中部安装有上夹具9，通过上定位台8可以调节上夹具9的位置，以便于和下夹具10对中。
本发明中采用非接触式高分辨力位移传感器作为被测试样的拉伸位移测量装置，本实施例中采用电容式位移传感器，也可以采用光学类非接触式位移传感器。其测量原理为两电极板相对运动时电容的变化和距离变化之间在一定范围内为线性关系。本实施例中，电容式位移传感器5安装在电动立柱6上，位移传感器5下侧安装有位移传感器电极板4，该位移传感器电极板4与安装在拉伸轴2上的活动电极板3构成电容，根据电容的变化可测量出活动电极板3的位移。
本实施例中，功率放大器的输出端与测试仪主机中的线圈12电连接。测试仪主机中的位移传感器与计算机中的信号采集模块电连接。
本实施例中的非接触式高分辨力位移传感器采用的是电容式位移传感器，该位移传感器也可以采用电涡流位移传感器或光纤位移传感器，这是本专业领域技术人员容易理解的。
利用本发明提供的微力学测试仪的测试方法如下在测试时，先将被测试样安装在上定位台下侧的上夹具和拉伸轴上侧的下夹具之间，然后进行如下步骤(如图5所示)步骤101用计算机控制信号发生模块产生一电压驱动信号。
步骤102步骤101中产生的电压驱动信号通过功率放大器放大。
步骤103用放大后的信号驱动测试仪主机工作。其驱动原理为载流线圈在均匀磁场中受电磁力，电磁力的大小与电流成正比，即F∝I。式中F为电磁力，I为通过线圈的电流。若使用本实施例中的仪器，线圈12处于磁钢13产生的均匀磁场中，当电流通过线圈12时，线圈12受到一个竖直向下的力，带动拉伸轴2及下夹具10向下运动，从而将被测试样拉伸。
步骤104用计算机上的信号采集模块采集位移信号和线圈的驱动信号。其中位移信号是采集位移传感器的电压信号，线圈的驱动信号由信号采集模块直接在线圈上采集。当位移传感器采用本实施例中的电容式位移传感器时，根据电容式位移传感器的电极板4与活动电极板3之间电容的变化可测量出活动电极板3的位移，即得出了被测试样的拉伸位移量。
步骤105步骤104中采集到的位移信号和线圈的驱动信号通过换算得到位移值和载荷值(该换算方法将在下文中详述)。
步骤106判断是否满足试验条件。该试验条件为载荷是否达到试验开始时的设定值，或位移是否达到开始时的设定值，或试验持续时间是否达到试验开始时的设定值。若判断为是，进入步骤107；若判断为否，回到步骤101重新开始测试。
步骤107根据步骤105中得到的一系列位移值和载荷值，按照力学模型进行数据处理(其原理及过程将在下文中详述)。
步骤108得出并输出结果。
步骤105、107中的数据处理的原理及过程叙述如下图4为微力学测试仪主机的动力学模型图，其中m为惯性质量，包括电磁线圈及拉伸轴在内的由悬浮弹簧悬浮的质量；Ci为仪器的阻尼；Kf为仪器框架刚度；Ks为悬浮弹簧刚度；S为试样刚度；Cs为试样阻尼；Fe(t)为电磁驱动力，和通过线圈的电流成正比，Fe(t)∝I(t)。
对于准静态的试验过程，可以将仪器和试样的整体响应看作是静力学问题处理，kx＝Fe(t)(1)式中，k=(S-1+Kf-1)-1+Ks]]>为等效刚度，x表示位移量。
对于动态试验过程，就需要把仪器和试样的整体响应看作是动力学问题处理，mx··+cx·+kx=Fe(t)---(2)]]>
式中，c＝ci+cs为等效阻尼系数， 表示加速度， 表示速度。
由于对微小试样的拉伸测试多是在准静态情况下完成的，因此本实施例将按照准静态过程阐述。
根据以上分析，对计算机的信号采集模块采集到的位移信号和载荷信号进行处理。将采集的位移信号称为dV，采集的载荷信号称为FV，转化为位移和载荷值为draw＝dV×sdFraw＝FV×Sf(3)式中draw称为原始位移；Sd为位移灵敏度系数，通过对位移传感器标定获得；Fraw称为原始载荷；Sf为载荷灵敏度系数，通过对电磁驱动系统标定获得。
如图4所示，电容式位移传感器5测量的位移并非试样真正的变形，其中包含框架变形；同样，测量的电磁力也并非试样上的载荷，其中包含作用在悬浮弹簧上的载荷。在微力学测量领域，这些影响因素都不能忽略掉。为了获得试样上的真实位移和载荷值，必须对原始位移和载荷进行处理，根据图4，可以得出d=draw-FKf]]>F＝Fraw-Ks×draw(4)式中d为试样上的位移(即试样的变形)；Kf为测试仪主机框架刚度，通过对框架进行拉伸测试获得；F为作用在试样上的载荷；Ks为悬浮弹簧刚度，通过对仪器进行空载测试获得。
由此，被测试样的杨氏模量为E=ΔFΔd×LA---(5)]]>式中 为被测试样在弹性拉伸段的刚度，L为试样的标距长度，A为试样的截面积。
使用本发明提供的仪器，对康铜丝试样进行了拉伸测试。图3为拉伸实验的位移-载荷曲线，康铜丝直径为30μm，标距为57mm。可以从加卸载曲线中计算出被测康铜丝的杨氏模量为170GPa。
容易理解，使用本发明提供的仪器也可以方便地测出被测试样的强度极限。强度极限是试样拉断时的最大应力，因此从载荷-位移曲线上可以找到试样发生断裂的时刻对应的载荷，用该载荷除以试样标距段的横截面积就得到强度极限。
另外，针对不同试样的测试需要，该仪器也可以进行弯曲、扭转、剪切等测试。
本发明提供的测试仪器和测试方法是针对微尺度试样的力学性能测量而设计的。由于目前MEMS的迅速发展，使得微尺度材料和结构的力学性能测量的成为一个迫切问题。本发明可以可靠地对MEMS常用材料和结构进行拉伸测试，得到的测试结果意义直观明确，极大地提高了测量精度，将拉伸测试方法引入到微尺度领域。并且该测量装置体积小、重量轻，自动化程度高，使用方便。
权利要求
1.一种微力学测试仪包括一计算机，该计算机包括一信号发生模块和一信号采集模块；一输入端与信号发生模块电连接的功率放大器；一用来对试样进行加载的测试仪主机，该测试仪主机和功率放大器输出端以及计算机的信号采集模块电连接；所述测试仪主机包括一主机框架，该框架包括一底座(1)、一侧板(15)；一固定安装在主机框架(1)底座上的磁钢(13)；依次固连的线圈框架(14)、拉伸轴(2)、下夹具(10)，其中线圈框架(14)套在磁钢(13)的内磁极上，拉伸轴(2)上固连悬浮弹簧组(11)，悬浮弹簧组(11)的另一端与测试仪主机框架固连；一缠绕在线圈框架(14)上的线圈(12)；一安装在拉伸轴(2)上的活动电极板(3)；一竖直安装在侧板(15)上的电动立柱(6)；一安装在电动立柱(6)上可沿电动立柱(6)上下移动的悬臂梁(7)；一安装在悬臂梁(7)下侧的上定位台(8)，该上定位台(8)是二维微调机构；一安装在主机框架上的高分辨力位移传感器(5)。
2.按权利要求1所述的微力学测试仪，其特征在于所述高分辨力位移传感器为非接触式位移传感器，所述非接触式位移传感器为电容式位移传感器、或电涡流位移传感器、光纤位移传感器。
3.按权利要求1所述的微力学测试仪，其特征在于所述测试仪主机中的非接触式位移传感器为电容式位移传感器，所述测试仪主机还包括一安装在位移传感器(5)下侧的位移传感器电极板(4)，该位移传感器电极板(4)与活动电极板(3)构成电容。
4.一种微力学测试仪的测试方法，包括下述步骤1)用计算机控制信号发生模块产生一电压信号，该信号经功率放大器放大后驱动测试仪主机工作；2)用计算机上的信号采集模块采集位移信号和线圈的驱动信号；3)将采集的位移信号和线圈的驱动信号分别换算为位移和载荷值；4)对步骤3)中得到的一系列位移值和载荷值，按照力学模型进行数据处理，得出被测试样的杨氏模量和强度极限。
5.按权利要求4所述的微力学测试仪的测试方法，其特征在于所述步骤3)中，包括下述子步骤31)将采集的位移和线圈的驱动信号转换为相应的位移和载荷值；32)将步骤31)得到的载荷值减去悬浮弹簧上分担的载荷，得到真正作用在试33)将步骤31)中得到的位移减去框架变形引起的位移，得到试样上真正的位移。
6.按权利要求4所述的微力学测试仪的测试方法，其特征在于所述步骤4)中，包括下述子步骤41)由步骤3)中得出的位移和载荷值得到位移-载荷曲线；42)根据位移-载荷曲线，按照力学模型进行数据处理，得出被测试样的杨氏模量。
7.按权利要求6所述的微力学测试仪的测试方法，其特征在于步骤42)还包括子步骤42a)，步骤42a)为从载荷-位移曲线上找到试样发生断裂的时刻对应的载荷，用该载荷除以试样标距段的横截面积得到强度极限。
8.按权利要求5所述的微力学测试仪的测试方法，其特征在于所述步骤32)中悬浮弹簧上分担的载荷等于悬浮弹簧刚度和步骤31)中得到的位移的乘积。
9.按权利要求5所述的微力学测试仪的测试方法，其特征在于所述步骤33)中框架变形引起的位移等于步骤32)中得到的载荷除以微力学测试仪主机框架刚度。
全文摘要
本发明涉及一种微力学测试仪及其测试方法。该试仪包括一计算机，该计算机包括一信号发生模块和一信号采集模块；一输入端与信号发生模块电连接的功率放大器；一用来对试样进行加载的测试仪主机。测试方法包括信号发生模块产生一电压信号，经功率放大器放大后驱动测试仪主机工作；信号采集模块采集位移信号和线圈的驱动信号；将采集到的信号换算为位移和载荷值；按照力学模型进行数据处理，得出被测试样的杨氏模量和强度极限。由于采用电磁加载方式，使得本测试仪的分辨力大幅度提高。
文档编号G01N3/00GK1752734SQ20041008014
公开日2006年3月29日 申请日期2004年9月24日 优先权日2004年9月24日
发明者张泰华, 郇勇, 杨业敏 申请人:中国科学院力学研究所