一种微型力传递装置及其制备方法

1.本发明涉及微纳器件及微制造，特别涉及一种微型力传递装置及其制备方法。


背景技术：

2.随着纳米科学与技术的迅猛发展，一方面，各种微纳机电系统被开发出来，对其机械可靠性进行表征变得非常迫切；另一方面，对微纳米尺度的材料进行力学实验，有助于探索材料变形的本质，分析材料微结构与其宏观力学性能的关系也是必要的，各种纳米力学实验方法与技术被开发出来，例如：基于afm(原子力显微镜)的纳米线的拉、压、弯实验，基于sem(扫描电子显微镜)的原位压、弯实验，以及基于tem(透射电子显微镜)的原位压、弯实验等。
3.相关技术中，是用小尺度下的力传感器去完成上述的力学实验。
4.但是，小尺度下的力传感器的加载方式比较单一，如纳米压痕仪虽然已经被小型化且集成到sem或tem，典型的如美国布鲁克公司的纳米压痕仪以及美国科磊公司的原位纳米压痕仪，其通常只能提供压缩载荷，因此，有必要设计一种微型力传递装置及其制备方法，以克服上述问题。


技术实现要素：

5.本发明实施例提供一种微型力传递装置及其制备方法，以解决相关技术中小尺度力传感器加载方式通常比较单一的问题。
6.第一方面，提供了一种微型力传递装置，其包括：固定基座；可动基座，其与所述固定基座连接；转换机构，其一侧与所述可动基座连接，另一侧与所述固定基座连接；当外载荷作用于所述可动基座时，所述可动基座带动所述转换机构将作用于所述可动基座的外载荷转换为压缩载荷、拉伸载荷或剪切载荷其中的一种或多种。
7.一些实施例中，所述转换机构包括：驱动部，其位于所述可动基座与所述固定基座之间；两个夹具，两个所述夹具分别固定于所述驱动部；当外载荷作用于所述可动基座时，所述驱动部驱动两个所述夹具之间的间距变大，将外载荷转换为拉伸载荷；或者所述驱动部驱动两个所述夹具之间的间距变小，将外载荷转换为压缩载荷；或者所述驱动部驱动两个所述夹具向互相靠近或互相远离的方向移动，同时两个所述夹具之间的缝隙大小不变，将外载荷转换为剪切载荷。
8.一些实施例中，两个所述夹具中心对称设置，且两个所述夹具相互靠近的一端分别具有凸起，两个所述凸起在垂直于所述夹具的移动方向上部分重叠，且两个所述凸起之间具有所述缝隙；当外载荷作用于所述可动基座时，两个所述凸起向互相远离的方向移动，且所述缝隙的大小不变。
9.一些实施例中，所述驱动部包括：倾斜设置于所述夹具的相对两侧的第一弹性杆件和第二弹性杆件，所述第一弹性杆件的一端与所述可动基座连接，另一端与所述夹具连接，所述第二弹性杆件的一端与所述固定基座连接，另一端与所述夹具连接。
10.一些实施例中，所述微型力传递装置还包括：至少两个弹性元件，所述弹性元件设置于所述可动基座的相对两侧，所述弹性元件的一端固定于所述可动基座，另一端固定于所述固定基座；当所述可动基座移动时，所述弹性元件约束所述可动基座的运动轨迹，使所述可动基座向靠近或者远离所述转换部的方向移动。
11.第二方面，提供了一种微型力传递装置的制备方法，其包括以下步骤：在预设压力和预设温度下使金属玻璃流入模具内；磨抛去除多余的所述金属玻璃；脱模制得所述微型力传递装置。
12.一些实施例中，所述金属玻璃成分包括锆、铂、金、钛、钯、镍或铜中的至少一种。
13.一些实施例中，在预设压力和预设温度下使金属玻璃流入模具内之前，还包括：制备所述模具；将所述金属玻璃切割成合适大小后预压成薄片。
14.一些实施例中，所述在预设压力和预设温度下使金属玻璃流入模具内包括：将所述金属玻璃和所述模具放置于两片不锈钢垫片之间，在超冷液相区温度内，且在预设压力作用下使得所述金属玻璃流入所述模具内。
15.一些实施例中，所述脱模制得所述微型力传递装置，包括：将所述模具和所述模具内的所述金属玻璃一同使用koh或naoh溶液在 50
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70摄氏度下腐蚀去除所述模具，然后使用去离子水清洗获得所述微型力传递装置。
16.本发明提供的技术方案带来的有益效果包括：
17.本发明实施例提供了一种微型力传递装置及其制备方法，由于微型力传递装置包括：可动基座和转换机构，所述可动基座与所述固定基座相连接，所述转换机构一侧与所述可动基座连接，另一侧与所述固定基座连接；当压缩载荷作用于所述可动基座时，所述可动基座带动所述转换机构将作用于所述可动基座的压缩载荷转换为压缩载荷、拉伸载荷或剪切载荷其中的一种或多种；当拉伸载荷作用于所述可动基座时，所述可动基座带动所述转换机构将作用于所述可动基座的拉伸载荷转换为压缩载荷、拉伸载荷或剪切载荷其中的一种或多种；因此，微型力传递装置能将小尺度力传感器的单一载荷形式传递并转换成其他所需的载荷形式，解决了小尺度力传感器加载方式通常比较单一的问题。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1为本发明实施例提供的一种微型力传递装置结构示意图；
20.图2为本发明实施例提供的微型力传递装置的第一种夹具结构示意图；
21.图3为本发明实施例提供的微型力传递装置的第二种夹具结构示意图；
22.图4为本发明实施例提供的微型力传递装置的第一种连接方式的位移量示意图；
23.图5为本发明实施例提供的微型力传递装置的第二种连接方式的位移量示意图；
24.图6为本发明实施例提供的微型力传递装置的夹具局部放大示意图；
25.图7为本发明实施例提供的微型力传递装置在加卸载作用下夹具间距改变量随载荷的变化曲线示意图；
26.图8为本发明实施例提供的微型力传递装置在两次加卸载作用下夹具间距改变量随载荷的变化曲线示意图；
27.图9为本发明实施例提供的微型力传递装置的夹具上固定有纳米线的局部放大示意图；
28.图10为本发明实施例提供的微型力传递装置的夹具上固定的纳米线断裂后的示意图；
29.图11为本发明实施例提供的微型力传递装置上固定的纳米线在加卸载作用下纳米线位移改变量随载荷的变化曲线示意图；
30.图12为本发明实施例提供的一种微型力传递装置的制备方法的第一步工艺流程示意图；
31.图13为本发明实施例提供的一种微型力传递装置的制备方法的第二步工艺流程示意图；
32.图14为本发明实施例提供的一种微型力传递装置的制备方法的第三步工艺流程示意图；
33.图15为本发明实施例提供的一种微型力传递装置的制备方法的第四步工艺流程示意图；
34.图16为本发明实施例提供的制备微型力传递装置的模具示意图；
35.图17为本发明实施例提供的第一种微型力传递装置实物示意图；
36.图18为本发明实施例提供的第二种微型力传递装置实物示意图。
37.图中：
38.1、固定基座；
39.2、可动基座；
40.3、夹具；
41.4、第一弹性杆件；
42.5、第二弹性杆件；
43.6、弹性元件。
具体实施方式
44.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
45.本发明实施例提供了一种微型力传递装置及其制备方法，其能解决小尺度力传感器加载方式通常比较单一的问题。
46.参见图1所示，为本发明实施例提供的一种微型力传递装置，微型力传递装置可以包括：固定基座1和可动基座以及转换机构，可动基座2可以位于固定基座1上，本实施例中，可动基座2上可以设置有凸台，转换机构可以位于固定基座1和可动基座2之间，转换机构上侧可以与可动基座2固定连接，转换结构下侧可以与固定基座1固定连接，当压缩载荷作用于可动基座2时可动基座2可以做向下的移动，可以带动转换机构将作用于可动基座2的压
缩载荷转换为压缩载荷、拉伸载荷或剪切载荷其中的一种或多种，当拉伸载荷作用于可动基座2时可动基座2可以做向上的移动，可以带动转换机构将作用于可动基座2的拉伸载荷转换为压缩载荷、拉伸载荷或剪切载荷其中的一种或多种，这种微型力传递装置的结构简单可靠性强，可以通过将单一载荷作用于可动基座2，可动基座2移动带动转换机构将作用于可动基座2的单一载荷转换成多种载荷中的一种载荷，力传递形式多样性。
47.参见图2和图3所示，在一些实施例中，转换机构可以包括：驱动部和两个夹具3，驱动部可以固定在可动基座2与固定基座1之间，驱动部可以用于驱动两个夹具3做相互靠近或者相互远离的运动，两个夹具3可以相对可动基座2水平放置且竖直对称，两个夹具3相互靠近的一端之间可以有两种状态，第一种状态可以是两个夹具3相互靠近的一端之间有间距，初始间距可以小至2微米，第二种状态可以是两个夹具3相互靠近的一端有部分相互重叠并且重叠处有缝隙，两个夹具3的另一端相互远离且分别固定于驱动部，外载荷作用于可动基座2，可动基座2移动带动驱动部移动，当两个夹具3相互靠近的一端是第一种状态时，驱动部可以驱动两个夹具3相互靠近的一端之间的间距变大，可以将外载荷转换为拉伸载荷，或者驱动部可以驱动两个夹具3相互靠近的一端之间的间距变小，可以将外载荷转换为压缩载荷，当两个夹具3相互靠近的一端是第二种状态时，驱动部可以驱动两个夹具3做相对移动，两个夹具3重叠处缝隙大小不变，可以将外载荷转换为剪切载荷；通过将外载荷作用于可动基座2，可动基座2 移动带动驱动部驱动夹具3移动，使得两个夹具3相互靠近一端之间的间距变大、变小或者夹具3重叠处缝隙不变，实现将外载荷转换为拉伸载荷、压缩载荷或者剪切载荷，这种转换方式形式多样。
48.参见图3所示，在一些实施例中，两个夹具3可以相对于转换机构中心点对称设置，两个夹具3相互靠近的一端可以分别具有垂直于夹具3的凸起，凸起的形状可以是立方体的形状，两个凸起在水平方向的侧壁可以部分重叠，并且两个凸起可以在水平方向做相对移动，重叠处可以有缝隙，使纳米线的轴线垂直重叠处的缝隙，纳米线的一端固定于一个凸起上，纳米线的另一端固定于另一个凸起上，当外荷载作用于可动基座2时，可动基座2可以带动驱动部做向上或者向下的移动，驱动部驱动两个凸起在水平方向做相对移动，使得重叠处的缝隙不变，可以将外载荷转换为作用在纳米线上的剪切载荷。
49.参见图1至图3所示，在一些实施例中，驱动部可以包括：第一弹性杆件4和第二弹性杆件5，第一弹性杆件4和第二弹性杆件5可以相对于夹具3倾斜放置，第一弹性杆件4可以位于可动基座2和夹具3 之间，第一弹性杆件4的一端可以与可动基座2固定连接，另一端可以与夹具3固定连接，第二弹性杆件5可以位于固定基座1和夹具3 之间，第二弹性杆件5的一端可以与固定基座1固定连接，另一端可以与夹具3固定连接，本实施例中，第一弹性杆件4可以包括两个弹性杆，两个弹性杆相对于夹具3倾斜放置并且相对竖直对称放置，两个弹性杆的一端可以分别与可动基座2固定连接，两个弹性杆的另一端可以分别与两个夹具3相互远离的一端固定连接，第二弹性杆件5 可以包括两个弹性杆，第二弹性杆件5可以与第一弹性杆件4相对于夹具3对称放置，通过改变弹性杆的数量、弹性杆的线宽或者弹性杆的线长，可以有效调控微型力传递装置的整体刚度，更好地适配不同尺度和不同强度的待测试样。
50.在一些实施例中，可以通过调整第一弹性杆件4和第二弹性杆件5 与夹具3的倾斜角度，使得可动基座2在相同的外载荷作用下，实现不同形式载荷的转换，本实施例中，第一
弹性杆件4与第二弹性杆件5 相对于夹具3对称，第一弹性杆件4可以包括两个竖直对称的弹性杆，当竖直对称轴左侧的弹性杆与夹具3沿顺时针方向的倾斜夹角小于90 度时，可动基座2受外载荷向下移动时，驱动部可以驱动两个夹具3 相互靠近的一端之间的间距变大，可以将外载荷转换为拉伸载荷，可动基座2受外载荷向上移动时，驱动部还可以驱动两个夹具3相互靠近的一端之间的间距变小，可以将外载荷转换为压缩载荷；当竖直对称轴左侧的弹性杆与夹具3沿顺时针方向的倾斜夹角大于90度时，可动基座2受外载荷向下移动时，驱动部可以驱动两个夹具3相互靠近的一端之间的间距变小，可以将外载荷转换为压缩载荷，可动基座2 受外载荷向上移动时，驱动部还可以驱动两个夹具3相互靠近的一端之间的间距变大，可以将外载荷转换为拉伸载荷；通过设置弹性杆与夹具3不同的倾斜角度，可以实现更多形式的荷载转换。
51.参见图1至图5所示，在一些实施例中，微型力传递装置还可以包括：至少两个弹性元件6，弹性元件6可以对称设置于可动基座2 的左右两侧并且位于固定基座1的凹槽内，弹性元件6的一端可以固定于可动基座2的一端上，弹性元件6的另一端可以固定于固定基座1 的凹槽侧壁上，当外荷载作用于可动基座2带动可动基座2移动时，弹性元件6可以约束可动基座2的运动轨迹，使可动基座2向靠近或者远离转换部的方向移动，可动基座2向其它方向的移动受到抑制，本实施例中，弹性元件6可以是弹性杆件，还可以是弹簧元件，固定基座1与可动基座2之间的连接方式可以是通过弹性杆件连接的第一种连接方式，还可以是通过弹簧元件连接的第二种连接方式，可以通过应用有限元模拟对第一种连接方式和第二种连接方式进行受力运动分析，分别得到图4和图5的验证数据图，根据数据图对比可以知道，固定基座1与可动基座2之间通过弹簧元件连接时，相比通过弹性杆件连接，在相同的外载荷作用下可动基座2的最大位移显著增加，固定基座1与可动基座2之间优选通过弹簧元件连接，微型力传递装置的测试量程进一步增大。
52.参见图6至图8所示，在一些实施例中，应用微型力传递装置进行空载试验测试，步骤可以包括：可以用导电胶将微型力传递装置的固定基座1粘接到原位纳米压痕仪的样品台上，并将纳米压痕仪器可以整个安装到sem的样品台上；在sem原位观察条件下驱动纳米压痕仪的压头靠近并接触微型力传递装置可动基座2上的凸台；可以运行压痕实验，同时可以采用录屏的方法记录微型力传递装置在不同加载作用下的夹具3间距的改变；进行图像分析与数据处理获得微型力传递装置在不同加载作用下的载荷
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夹具3间距曲线数据图；再次对微型力传递装置进行空载试验测试得到两次加载作用下的载荷
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夹具3间距曲线数据图；根据得到的载荷
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夹具3间距曲线数据图可以看出微型力传递装置在较大的量程内具有良好的线性性质与可以重复使用。
53.参见图9至图11所示，在一些实施例中，应用微型力传递装置进行纳米线的拉伸试验测试，步骤可以包括：可以用纳米机械手将一根直径为430nm的纳米线转移并固定到微型力传递装置的夹具3上；用导电胶将微型力传递装置的固定基座1粘接到原位纳米压痕仪的样品台上，并将纳米压痕仪器整个安装到sem的样品台上；在sem原位观察条件下驱动纳米压痕仪的压头靠近并接触微型力传递装置可动基座2上的凸台；可以运行压痕实验，同时可以采用录屏的方法记录微型力传递装置在不同加载作用下的夹具3间距的改变，直至纳米线发生断裂，停止加载；进行图像分析与数据处理获得纳米线的载荷
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位移曲线数据图；根据纳米线的载荷
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位移曲线数据图可以知道，微型力传递装置将外荷载转换为拉伸载荷时
具有良好的线性性质。
54.在一些实施例中，制备微型力传递装置用的材料可以是金属玻璃，金属玻璃的成分可以包括锆、铂、金、钛、钯、镍或铜中的至少一种，以前的相关器件是用硅、氧化硅或氮化硅这些材料制得，金属玻璃与硅、氧化硅或氮化硅这些材料相比具有高强度(可以承受0到2gpa 的压强)、高硬度、高弹性(弹性极限可以是0～2％，远高于脆性材料的0～0.1％)及抗腐蚀耐磨损的优异性能，采用金属玻璃材料制备得到的微型力传递装置，具有机械可靠性高及使用寿命高的优点，参照图4和图5的可动基座2移动验证数据图，可以看出在材料达到屈服应力时，弹簧元件连接相比弹性杆件连接，最大位移显著提高，由于弹性变形阶段，最大位移近似与屈服应力成线性关系，考虑到金属玻璃的强度及弹性极限都远高于硅，显然，本发明制备的金属玻璃微型力传递装置相比基于硅材质制备得到的器件，其量程还将有数量级的提升，具有量程大的优点。
55.参见图13所示，为本发明实施例提供的一种微型力传递装置的制备方法，可以包括以下步骤：
56.步骤1：将金属玻璃压缩至模具内。
57.参见图12和图16所示，在一些实施例中，在将金属玻璃压缩至模具内之前，还可以包括：可以通过硅电子微加工技术制备模具，模具的材料可以为硅、氧化硅或氮化硅中的一种；可以根据制得的模具尺寸，将直径为1mm的金属玻璃棒材切割成厚度约为1.5mm的短柱，将切割的金属玻璃短柱放置在两片不锈钢垫片之间，然后放置到试验机的平表面夹具上，平表面夹具可以通过电阻加热，其温度通过热电偶测量以及pid控制(比例积分微分控制)，在250℃温度下对其进行预压，最大预压载荷为2000n，预压时间为1min，预压完成后取出样品得到预压后的金属玻璃薄片，方便将金属玻璃压缩至模具内。
58.参见图13所示，在一些实施例中，所述将金属玻璃压缩至模具内可以包括：可以将第一不锈钢垫片、预压后的金属玻璃薄片、模具、第一不锈钢垫片依次从上到下叠放到试验机的平表面夹具上，在约270 摄氏度的温度下加载到约7000n，完成热塑性成型后取出样品并冷却，热塑性成型温度为金属玻璃的超冷液相区温度，通常选为1.1tg≤ t<tx，tg为金属玻璃材料的玻璃转变温度，tx为金属玻璃材料的晶化温度，在超冷液相区温度内更容易压缩金属玻璃至模具内。
59.步骤2：磨抛去除多余的所述金属玻璃。
60.参见图14所示，在一些实施例中，所述磨抛去除多余的所述金属玻璃，可以包括：用磨抛机磨抛金属玻璃远离模具的一侧，去除没有压缩至模具内多余的金属玻璃，使得压入模具中的金属玻璃暴露出来。
61.步骤3：脱模制得所述微型力传递装置。
62.参见图15和图17所示，在一些实施例中，所述脱模制得所述微型力传递装置，可以包括：可以配置6mol/l的koh溶液或者naoh 溶液，可以在60摄氏度的溶液环境下腐蚀1h以上磨抛后的样品和模具，还可以在50摄氏度或者70摄氏度的溶液环境下腐蚀1h以上磨抛后的样品和模具，经过化学腐蚀去除模具后，用去离子水清洗样品获得微型力传递装置。
63.参见图18所示，在一些实施例中，可以制备不同的模具，重复上述步骤，制得不同的微型力传递装置，制备工艺简单可重复性强，固定基座1的外形可以设计为tem栅格的圆弧形外形，制备成这种圆弧形外形的微型力传递装置可以直接放置到tem中对夹具3上的试
样进行高分辨表征。
64.本发明实施例提供的一种微型力传递装置及其制备方法原理为：
65.由于微型力传递装置包括：固定基座1和可动基座2，可动基座2 与固定基座1固定连接；转换机构，转换机构位于可动基座2和固定基座1之间，转换机构包括第一弹性杆件4、第二弹性杆件5和两个夹具3，第一弹性杆件4位于可动基座2和夹具3之间，第一弹性杆件4 的一端与可动基座2固定连接，第一弹性杆件4的另一端与夹具3连接，第二弹性杆件5位于夹具3和固定基座1之间，第二弹性杆件5 的一端与夹具3固定连接，第二弹性杆件5的另一端与固定基座1的底部固定连接，当外载荷作用于可动基座2时，可动基座2可以向下或者向上移动带动第一弹性杆件4和第二弹性杆件5移动，第一弹性杆件4和第二弹性杆件5可以驱动两个夹具3相互靠近的一端之间的间距变大，使得作用于可动基座2的外载荷转换为拉伸载荷，或者第一弹性杆件4和第二弹性杆件5可以驱动两个夹具3相互靠近的一端之间的间距变小，使得作用于可动基座2的外载荷转换为压缩载荷，或者第一弹性杆件4和第二弹性杆件5可以驱动两个夹具3做相对移动，并且两个夹具3相互靠近的一端部分重叠处的缝隙大小不变，使得作用于可动基座2的外载荷转换为剪切载荷，因此，微型力传递装置能将小尺度力传感器的单一载荷形式传递并转换成其他所需的载荷形式，解决了小尺度力传感器加载方式通常比较单一的问题。
66.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
67.需要说明的是，在本发明中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
68.以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。