专利名称：用于检测纳米材料拉伸和压缩力学性能的微机械结构的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及微机械技术和纳米材料科学领域，具体说来是一种微机械结构，用于检测一维纳米材料拉伸和压缩力学性能的微机械结构，适合用来检测一维纳米材料杨氏模量、拉伸强度、断裂强度等。
背景技术：
一维纳米材料，如纳米管、纳米线和纳米带等，是具有优异物性的低维纳米结构材料，预计在未来的纳机电系统、气体传感器、纳电子和光电子器件领域中将具有广泛的应用前景。但随着材料尺寸的减小，当减小到纳米时，尺寸效应、表面效应和量子效应等相关效应的凸显，使得纳米材料的一些物理性质与常规体材料有很大的不同，出现许多新奇的特征。纳米材料的力学特征和行为将直接影响到它的应用，以及由它构成的纳米器件和纳机电系统的功能，因此，对纳米材料力学特征和行为的研究十分重要。目前，受限于现有的实验条件和测量技术，对纳米材料进行直接力学实验和测量还相当困难，大多数测量手段基于电子/机械或热/机械的复合系统。对在承受载荷情况下的纳米材料的原位检测手段，包括利用静电驱动或热驱动的微机电系统的拉力测量，原子力显微镜辅助的弯曲、压缩和拉伸测量等，这些测量方法要么测量不直接，要么仅能够定性地测量。大多数定性、直接地测量方法对于作用于样品的载荷和样品变形不能同时单独地测量。利用静电驱动或热驱动的测量方法中虽然可以克服上述问题，但具有实施成本高、计算误差大等缺点，并且易对样品本身产生影响。综上所述的研究工作，新型的测量设备和测量方法需能同时测量出一维纳米材料承受载荷和变形情况，且对样品本身无影响。
实用新型内容本实用新型目的在于提供用于检测纳米材料拉伸和压缩力学性能的微机械结构，该结构能够同时得到一维纳米材料承受载荷和在载荷作用下的变形情况，并在检测过程中对纳米材料本身特性没有影响。本实用新型的目的是通过下述技术方案来实现的。本实用新型所述的用于检测纳米材料拉伸和压缩力学性能的微机械结构，包括一个框形支架，其中所述框形支架上通过至少四根对称的上竖直梁连接两个相互对称设置的上层平台；两个上层平台的两端分别通过下支撑梁支撑于框形支架的支座上；所述两个上层平台的下方通过至少四根对称的斜梁连接一个下层平台。上述的上层平台为两个端部呈针尖状、且针尖端相对设置用于固定一维纳米材料的水平平台。上述的在上层平台与下层平台之间设置有两组数量相等并且相对于微结构垂直中心线对称的斜梁。所述斜梁沿上层平台的两端向微结构垂直中心线方向对称倾斜设置，或沿上层平台垂直中心线方向至下层平台上台面两端对称倾斜设置。上述的上竖直梁和斜梁分为左右两组，每组至少采用两根上竖直梁和两根斜梁分别上下各两根连接将支架与上层平台及下层平台相连。上述的下层平台的中部表面开有用于对微机械结构施加载荷的定位孔。上述的下支撑梁为竖直梁或对称倾斜梁。所述微结构采取多晶硅材质。本实用新型和现有的用于检测一维纳米材料的设备有如下优点I.本实用新型的制备材料是多晶硅，制备工艺与现有的微机械加工工艺相兼容，材料成本低，制备方便，可批量制备。 2.本实用新型在进行一维纳米材料检测时，可同时得到施加在纳米材料两端的载荷和位移，使测量直观。3.本实用新型在进行一维纳米材料检测时，通过纳米压头施加载荷，检测过程中不会对纳米材料本身的特性造成影响，保证了检测的准确性。4.本实用新型中上竖直梁和下支撑梁用于支撑两个上层平台，提高了系统的刚度，可有效防止结构自身重力等因素所导致的两个上层平台之间距离的变化，这种设计可极大的减弱结构重力作用对纳米材料力学性能的影响，保证检测的准确性。5.本实用新型中两个上层平台和下层平台之间的斜梁，用于两个上层平台相对运动的导向。通过改变斜梁的倾斜方向，当下层平台受到纳米压头作用力向上运动时，就可以实现两个上层平台间距的增大或减小，从而来测量纳米材料的拉伸或压缩的力学性能。6.本实用新型中所涵盖的微结构既可以测量纳米材料的拉伸性能，又有可以测量纳米材料的压缩性能。
图I (a)是本实用新型实施例I的结构示意图，用于测试纳米材料的拉伸性能。图I (b)是本实用新型实施例2的结构示意图，用于测试纳米材料的拉伸性能。图2(a)是本实用新型实施例3的结构示意图，用于测试纳米材料的压缩性能。图2(b)是本实用新型实施例4的结构示意图，用于测试纳米材料的压缩性能。图3(a)-图3(j)是制作本实用新型结构过程示意图。图4(a)-图4(c)是本实用新型实施例I的力学性能仿真结果图。图中101、框型支架；102、上竖直梁；103、下支撑梁；104、上层平台；105、斜梁；106下层平台。
具体实施方式
以下结合附图1-2进一步说明本实用新型的结构。如图1(a)所示，为本实用新型具有四根上竖直梁、两根下支撑梁和四根斜梁(与上层平台夹角为26度)的一个实施例示意图，用于测试纳米材料的拉伸性能。该检测一维纳米材料力学性能的微结构包括一个框形支架101，其中设置有六根竖直梁，包括上部四根上竖直梁102，下部两根下支撑梁103 (为竖直梁)，用于整个微机械结构的支撑定位，一端与框型支架101相连，一端与微机械结构的上层平台104相连。[0031]其中，框形支架101上通过四根上竖直梁102连接两个相互对称设置的上层平台104 ;两个上层平台104的两端通过下支撑梁103支撑于框型支架101的支座上；两个上层平台104的下方分别通过四根斜梁105连接一个下层平台106，两组斜梁105沿上层平台104的两端向微结构垂直中心线方向对称倾斜设置，将下层平台106的竖直方向的位移和载荷转换成上层平台104水平方向的位移和载荷。其中，上层平台104分为对称的左右两部分，分别和三根竖直梁(包括两根上竖直梁102、一根下支撑梁103)、两根斜梁104相连。位于微机械结构中部的上层平台104水平设置，其端部被制备成尖状、且其尖端成对设置，用于固定被测试的纳米材料。其中，在上层平台104与下层平台106之间设置有与上竖直梁102有相同的数量的斜梁105。上竖直梁102和斜梁105分为左右两组，上竖直梁102和斜梁105分别上下各两根将支架101与上层平台104及下层平台106相连。 其中，下层平台106的中部表面开有用于对微机械结构施加载荷的定位孔，用于对微机械结构施加载荷。载荷施加在平台底部，可在竖直方向上产生位移。本实用新型的微结构采取多晶硅材质。如图1(b)所示，为本实用新型具有四根上竖直梁、两根下支撑梁和四根斜梁(与上层平台夹角为26度)的实施例2示意图，用于测试纳米材料的拉伸性能。该结构与实施例I基本相同，其区别在于下支撑梁103为对称倾斜梁，可以使得微结构在保证“减小重力等因素引起的测试误差”的前提下，减小系统刚度，从而提高力的转化系数。如图2(a)所示，为本实用新型具有四根上竖直梁、两根下支撑梁和四根斜梁(与上层平台夹角为26度)的实施例3示意图，用于测试纳米材料的压缩性能。该结构与实施例I类似，其区别在于斜梁105的两组倾斜方向分别与对应的实施例I中的斜梁的倾斜方向相反。两组斜梁105沿上层平台104垂直中心线方向至下层平台106上台面两端对称倾斜设置。根据机构运动学，当下层平台106受到垂直向上的压力而向上运动时，两个上层平台104的间距会减小，从而使得纳米材料受到压缩力的作用。如图2(b)所示，为本实用新型具有四根上竖直梁、两根下支撑梁和四根斜梁(与上层平台夹角为26度)的实施例4示意图，用于测试纳米材料的压缩性能。该结构与实施例2类似，其区别在于斜梁105的两组倾斜方向分别与对应的实施例I中的斜梁的倾斜方向相反。两组斜梁105沿上层平台104垂直中心线方向至下层平台106上台面两端对称倾斜设置。
以下结合附图3进一步说明本实用新型的制备过程。参照图3(a)，01为设备层，材料选取多晶硅，厚度约为10 μ m ;02为牺牲层，材料为氧化硅；03为硅基底；04为保护层；05为一次光刻胶；06为二次光刻胶。参照图3(b),在设备层表面涂布一层光刻胶05。参照图3(c)，刻蚀光刻胶，形成微机械结构图形。参照图3(d)，刻蚀设备层，形成微机械结构。参照图3(e)，清除光刻胶。参照图3(f)，在已刻蚀好的设备层和保护层表面涂布光刻胶06。参照图3(g)，刻蚀保护层光刻胶，尺寸为观察窗口大小。参照图3 (h)，刻蚀保护层。[0048]参照图3(i)，刻蚀基底，形成观察窗。参照图3(j)，清除光刻胶及保护层，与观察窗口处的牺牲层。
以下结合附图4进一步说明本实用新型的效果。在实施例I中两个上层平台之间，放置并固定一根纳米线，其刚度从O 3800N/m (等效纳米线的杨氏模量为O 2. 6 X IO11Pa)之间变化；并在下层平台的几何中心施加一个垂直向上的压力F，基于此来仿真实施例I的力学性能。如图4(a)-图4(c)所示，给出了实施例I的在测试纳米材料力学性能的仿真图。图4(a)为力转换系数的仿真图，图4(b)为位移转化系数的仿真图，图4(c)为系统刚度的仿真图。此处，定义“力转化系数”为纳米线的轴向受力与F之比；定义“位移转化系数”为纳米线的长度变化与下层平台在F方向上位移的变化之比；定义“系统刚度”为F与下层平台在F方向上位移的变化之比。·由图4(a)可以看出，当纳米线刚度由零逐渐增大到3800N/m时,微结构的力转化系数逐渐增大，并趋近于100%。由图4(b)可以看出，当纳米线刚度逐渐增大时，微结构的位移转化系数略有下降，最低约70%。由图4(c)可以看出，当纳米线刚度逐渐增大时，微结构的系统刚度逐渐增大。从图中可知，采取本实用新型的微结构提高了系统的刚度；能同时测量出一维纳米材料承受载荷和变形情况，且对样品本身无影响。以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式
，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
权利要求1.用于检测纳米材料拉伸和压缩力学性能的微机械结构，包括一个框形支架(101)，其特征在于所述框形支架(101)上通过至少四根対称的上竖直梁(102)连接两个相互对称设置的上层平台(104);两个上层平台(104)的两端分别通过下支撑梁(103)支撑于框形支架(101)的支座上；所述两个上层平台(104)的下方通过至少四根対称的斜梁(105)连接一个下层平台(106)。
2.根据权利要求I所述的用于检测纳米材料拉伸和压缩力学性能的微机械结构，其特征在于所述上层平台(104)为两个端部呈针尖状、且针尖端相对设置用于固定一维纳米材料的水平平台。
3.根据权利要求I所述的用于检测纳米材料拉伸和压缩力学性能的微机械结构，其特征在于所述在上层平台(104)与下层平台(106)之间设置有两组数量相等并且相对于微结构垂直中心线对称的斜梁(105)。
4.根据权利要求3所述的用于检测纳米材料拉伸和压缩力学性能的微机械结构，其特征在于所述斜梁(105)沿上层平台(104)的两端向微结构垂直中心线方向对称倾斜设置，或沿上层平台(104)垂直中心线方向至下层平台(106)上台面两端对称倾斜设置。
5.根据权利要求I或3所述的用于检测纳米材料拉伸和压缩力学性能的微机械结构，其特征在于所述上竖直梁(102)和斜梁(105)分为左右两组，每组至少采用两根上竖直梁(102)和两根斜梁(105)分别将框形支架(101)与上层平台(104)及下层平台(106)相连。
6.根据权利要求I所述的用于检测纳米材料拉伸和压缩力学性能的微机械结构，其特征在于所述下层平台(106)的中部表面开有用于对微机械结构施加载荷的定位孔。
7.根据权利要求I所述的用于检测纳米材料拉伸和压缩力学性能的微机械结构，其特征在于所述下支撑梁(103)为竖直梁或对称倾斜梁。
专利摘要本实用新型公开了用于检测纳米材料拉伸和压缩力学性能的微机械结构，包括一个框形支架，所述框形支架上通过至少四根对称的上竖直梁连接两个相互对称设置的上层平台，被测纳米材料固定于两个上层平台之间；两个上层平台的两端分别通过下支撑梁支撑于框形支架的支座上；所述两个上层平台的下方通过至少四根对称的斜梁连接一个下层平台，下层平台用于施加外部载荷。该微结构的制备材料为多晶硅，制备工艺与现有的硅微机械加工工艺相兼容，可批量制备。能够同时得到一维纳米材料承受的载荷和在载荷作用下的变形情况，并在检测过程中对纳米材料本身特性没有影响。
文档编号G01N3/02GK202614584SQ20122003284
公开日2012年12月19日 申请日期2012年2月2日 优先权日2012年2月2日
发明者王卫东, 易成龙, 郝跃, 牛翔宇, 纪翔 申请人:西安电子科技大学