CN102353576A - 小型化力学和电学耦合特性测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种小型化力学和电学耦合特性测试装置，属于机电一体化的精密科学仪器。主要由Z轴宏动调整机构，XY宏动调整机构，压电精密驱动压入单元，载荷信号检测单元、位移信号检测单元和电流信号检测单元组成，其中Z轴宏动调整机构安装在底座上，XY宏动调整机构安装在上支撑板上，压电精密驱动压入单元连接在微动滑台上，精密位移传感器固连在压电精密驱动压入单元的前端侧面，用于载荷信号检测的贴应变片十字梁传感器安装在Z轴宏动调整机构的工作台上，利用金刚石压头对顶砧原理，使用PCD金刚石压头对测试过程中材料产生的电学特性的变化进行检测。本发明具有结构紧凑、体积小巧、精度高等特点。
Description
技术领域
本发明涉及机电一体化的精密科学仪器，特别涉及一种集成宏观驱动、高精密检测、微纳米级材料力学特性以及力学和电学耦合特性的测试装置，尤指一种小型化力学和电学耦合特性测试装置。
背景技术
金刚石对顶砧（diamond anvil cell，简记为DAC）的发明是高压技术发展中的一次技术革命，它是目前唯一能产生超高静水压（高于100GPa）的实验装置。在高压和超高压下材料会产生变化的奇特现象已经被国内外普遍认可，而且经过了诸多实验的证实，通过DAC可以观察到金属和半导体的转变、电子的转变、高压下材料晶格的转变以及材料的相变等，甚至很多人认为是DAC是目前能够模拟地壳内部变化的唯一手段。国内外高校和研究所在高压和超高压下对材料的电学特性的研究和力学特性的研究都有了一些成果，美国的Lawrence Livermore National Laboratory对金刚石对顶砧做了一些研究，研制出了用于静态实验的DAC和动态实验的dDAC，也实现了压力和温度的耦合实验。吉林大学超硬国家重点实验室在高压下材料的电学特性做过一些研究，将薄膜制备和光刻技术将对顶砧技术结合，实现了材料原位电阻率的测量。但是国内外对于材料在高压下力学和电学的耦合特性的研究还处于相对空白阶段，限制了我国对前沿科学领域的探索。
发明内容
本发明的目的在于提供一种小型化力学和电学耦合特性测试装置，解决了高压下材料的力学和电学耦合特性的测试问题，可以从侧面验证材料的变形机理。针对现有技术存在的问题，本发明提出的小型化高压下材料的力学和电学耦合特性测试装置结构紧凑、体积小、压力大，具有宏观微运动能力，通过更换金刚石压头还可以对材料进行纳米压痕测试，这对推动我国高端科技装备的发展具有重要意义，使得我国的高压下材料的变形机理的研究上一个新的台阶。本发明对于研究被测试件或材料在高压下的力学特性、电学特性、以及力学和电学的耦合特性的研究以及材料性能间的相关规律的研究起到了非常重要的促进作用，对新材料新工艺、精密光学、微电子技术及半导体技术、汽车飞机关键零部件制造、钢铁冶金、生物医学工程、微机电系统（MEMS）技术、纳米工程和国防军工等高技术产业集群的发展具有极为重要的支撑推动作用和广阔的产业应用价值。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
小型化力学和电学耦合特性测试装置，包括Z轴宏动调整机构15，XY轴宏动调整机构23、压电精密驱动压入单元10、载荷信号检测单元2、位移信号检测单元12及电流信号检测单元，其中，所述Z轴宏动调整机构15设置在底座18上，XY轴宏动调整机构23设置在上支撑板8内面，该底座18通过侧支撑板1与上支撑板8连接；所述压电精密驱动压入单元10通过方形连接板7与XY轴宏动调整机构23的微动滑台9连接；所述载荷信号检测单元2通过支撑板17与Z轴宏动调整机构15连接；所述位移信号检测单元12的精密位移传感器11通过夹紧块13固定连接在压电精密驱动压入单元10的柔性铰链5的前端侧面，位移信号检测单元12的探头挡板3固定连接在载荷信号检测单元2的中心。
所述的压电精密驱动压入单元10包括柔性铰链5、压电叠堆驱动器6、预紧螺母19及上下两个金刚石压头4，该柔性铰链5通过方形连接板7与XY轴宏动调整机构23的微动滑台9连接；压电叠堆驱动器6设置在柔性铰链5的中心，并通过预紧螺母19能实现压电叠堆驱动器6的预紧。
所述的载荷信号检测单元2包括十字梁载体压板14、十字梁载体16及支撑板17，该十字梁载体16通过支撑板17固定在Z轴宏动调整机构15上，并通过十字梁载体压板14固定该十字梁载体16，十字梁载体16的两个臂的上下表面分别设置应变片传感器。
所述的位移信号检测单元12包括精密位移传感器11、夹紧块13及探头挡板3，该精密位移传感器11通过夹紧块13固定连接在柔性铰链5的前端侧面，探头挡板3固定在载荷信号检测单元2的十字梁载体16的中心。
所述的电流信号检测单元是：上下两个导电的金刚石压头4分别设置在柔性铰链5的中心和探头挡板3的右侧，在金刚石压头4与柔性铰链5之间、金刚石压头4与探头挡板3之间分别设有一面导电另一面绝缘的垫片。
本发明的技术效果是：结构紧凑、体积小，具有宏微运动能力，能够对材料在高压下的力学和电学耦合特性进行测试，也可以对材料进行压痕测试，位移分辨率达到纳米级；对力学和电学耦合特性的分析，为研究材料的变形损伤机理提供方便。本发明对材料科学、微电子技术、精密光学、薄膜技术、超精密加工技术和国防军工等领域将起到推动促进作用。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的精密驱动单元、位移检测单元和载荷检测单元的示意图；
图3为本发明的载荷检测单元的十字梁载体的结构示意图；
图4为本发明的压电精密驱动压入单元的结构示意图；
图5为本发明的电学特性测量原理图。
图中：1.侧支撑板，2.载荷信号检测单元，3.探头挡板，4.金刚石压头，5.柔性铰链，6.压电叠堆，7.方形连接板，8.上支撑板，9.微动滑台，10.压电精密驱动压入单元，11.精密位移传感器，12. 位移信号检测单元，13. 夹紧块，14. 十字梁载体压板，15.Z轴宏动调整机构，16.十字梁载体，17.支撑板，18.底座，19. 预紧螺母，20. 电流表，21. 直流稳压电源，22.试件，23.XY轴宏动调整机构。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1至图5，本发明的小型化力学和电学耦合特性测试装置，包括Z轴宏动调整机构15，XY轴宏动调整机构23、压电精密驱动压入单元10、载荷信号检测单元2、位移信号检测单元12及电流信号检测单元，其中，所述Z轴宏动调整机构15设置在底座18上，XY轴宏动调整机构23设置在上支撑板8内面，该底座18通过侧支撑板1与上支撑板8连接；所述压电精密驱动压入单元10通过方形连接板7与XY轴宏动调整机构23的微动滑台9连接；所述载荷信号检测单元2通过支撑板17与Z轴宏动调整机构15连接；所述位移信号检测单元12的精密位移传感器11通过夹紧块13固定连接在压电精密驱动压入单元10的柔性铰链5的前端侧面，位移信号检测单元12的探头挡板3固定连接在载荷信号检测单元2的中心。
参见图2及图4，所述的压电精密驱动压入单元10包括柔性铰链5、压电叠堆驱动器6、预紧螺母19及上下两个金刚石压头4，该柔性铰链5通过方形连接板7与XY轴宏动调整机构23的微动滑台9连接；压电叠堆驱动器6设置在柔性铰链5的中心，并通过预紧螺母19能实现压电叠堆驱动器6的预紧。
参见图3，所述的载荷信号检测单元2包括十字梁载体压板14、十字梁载体16及支撑板17，该十字梁载体16通过支撑板17固定在Z轴宏动调整机构15上，并通过十字梁载体压板14固定该十字梁载体16，十字梁载体16的两个臂a、b的上下表面分别设置应变片传感器。
所述的位移信号检测单元12包括精密位移传感器11、夹紧块13及探头挡板3，该精密位移传感器11通过夹紧块13固定连接在柔性铰链5的前端侧面，探头挡板3固定在载荷信号检测单元2的十字梁载体16的中心。
参见图1及图5，所述的电流信号检测单元是：上下两个导电的金刚石压头4分别设置在柔性铰链5的中心和探头挡板3的右侧，在金刚石压头4与柔性铰链5之间、金刚石压头4与探头挡板3之间分别设有一面导电另一面绝缘的垫片。利用直流稳压电源21和pA级电流表20进行对试件22的电学信号进行采集。
参见图1至图5，本发明在实际使用时，用镊子将被测试件22放在下侧的金刚石压头4上，并且调节Z轴宏动调整机构15的手柄直到载荷信号检测单元2检测到载荷，从而判断接触零点。之后通过压电叠堆驱动器6推动上侧的金刚石压头4进行耦合特性的测试。在测试过程中，计算机控制单元通过相关的采集电路同步记录精密位移传感器11和载荷信号检测单元2中的应变片的输出信号，送入计算机，实现控制和数据采集，同时利用pA级电流表20和直流稳压电源21对测试过程中的电流信号的变化进行采集，并通过电流表20将信号传送到计算机，之后根据相关的算法换算得到力学特性以及力学和电学的耦合特性。
Claims (5)
1.一种小型化力学和电学耦合特性测试装置，包括Z轴宏动调整机构（15），XY轴宏动调整机构（23）；其特征在于：还包括压电精密驱动压入单元（10）、载荷信号检测单元（2）、位移信号检测单元（12）及电流信号检测单元，其中，所述Z轴宏动调整机构（15）设置在底座（18）上，XY轴宏动调整机构（23）设置在上支撑板（8）内面，该底座（18）通过侧支撑板（1）与上支撑板（8）连接；所述压电精密驱动压入单元（10）通过方形连接板（7）与XY轴宏动调整机构（23）的微动滑台（9）连接；所述载荷信号检测单元（2）通过支撑板（17）与Z轴宏动调整机构（15）连接；所述位移信号检测单元（12）的精密位移传感器（11）通过夹紧块（13）固定连接在压电精密驱动压入单元（10）的柔性铰链（5）的前端侧面，位移信号检测单元（12）的探头挡板（3）固定连接在载荷信号检测单元（2）的中心。
2.根据权利要求1所述的小型化力学和电学耦合特性测试装置，其特征在于：所述的压电精密驱动压入单元（10）包括柔性铰链（5）、压电叠堆驱动器（6）、预紧螺母（19）及上下两个金刚石压头（4），该柔性铰链（5）通过方形连接板（7）与XY轴宏动调整机构（23）的微动滑台（9）连接；压电叠堆驱动器（6）设置在柔性铰链（5）的中心，并通过预紧螺母（19）预紧。
3.根据权利要求1所述的小型化力学和电学耦合特性测试装置，其特征在于：所述的载荷信号检测单元（2）包括十字梁载体压板（14）、十字梁载体（16）及支撑板（17），该十字梁载体（16）通过支撑板（17）固定在Z轴宏动调整机构（15）上，并通过十字梁载体压板（14）固定该十字梁载体（16），十字梁载体（16）的两个臂的上下表面分别设置应变片传感器。
4.根据权利要求1所述的小型化力学和电学耦合特性测试装置，其特征在于：所述的位移信号检测单元（12）包括精密位移传感器（11）、夹紧块（13）及探头挡板（3），该精密位移传感器（11）通过夹紧块（13）固定连接在柔性铰链（5）的前端侧面，探头挡板（3）固定在载荷信号检测单元（2）的十字梁载体（16）的中心。
5.根据权利要求1所述的小型化力学和电学耦合特性测试装置，其特征在于：所述的电流信号检测单元是：上下两个导电的金刚石压头（4）分别设置在柔性铰链（5）的中心和探头挡板（3）的右侧，在金刚石压头（4）与柔性铰链（5）之间、金刚石压头（4）与探头挡板（3）之间分别设有一面导电另一面绝缘的垫片。
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