CN103293065B - 微结构力学性能片外弯曲测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微结构力学性能片外弯曲测试装置，包括三维移动平台、抗振固定块、隔振底座、试样夹持部分、驱动部分、载荷检测部分、位移检测部分和放大观测部分；三维移动平台设在隔振底座的一侧，抗振固定块设在隔振底座的另一侧，试样夹持部分设在抗振固定块上，驱动部分设在三维移动平台上，载荷检测部分与驱动部分连接并与试样夹持部分对应，位移检测部分设在三维移动平台和抗振固定块之间，放大观测部分设在隔振底座上对准试样夹持部分。本发明具有结构简单，制作成本低，夹持和对中简单，使微尺度下的弯曲力学性能测试更加高效、可靠。

Description

微结构力学性能片外弯曲测试装置

技术领域

本发明属于微机电系统的微结构力学性能测试装置，具体涉及一种微结构力学性能片外弯曲测试装置。

背景技术

微机械电子系统（MEMS）是在 IC 技术基础上发展起来的器件、装置或系统，可批量制造，集微结构、微传感器、微执行器、微能源以及信号处理和控制电路等于一体。目前，对 MEMS 材料力学特性的研究已远远落后于对其电学性能和加工工艺的研究。MEMS 材料力学行为导致的失效和可靠性问题已成为制约MEMS技术发展和MEMS产品广泛应用的重要因素。因此需要发展MEMS材料力学特性的测试技术。依据测试装置与被测构件的集成度，目前主要的测量方法主要分为片上测试法和片外测试法两类。与片上测试相比，片外测试法的试样制作相对简单，对于开展不同加载方式的微构件力学测试具有更高的灵活性，因而应用广泛。而片外测试又可分为片外拉伸测试、弯曲测试和弯扭测试方法。其中单轴拉伸法可较为直接地获取材料的力学特性，但很多情况下试样的伸长量是通过夹具间的位移变化间接获得，且存在试样夹持对准、试样保护框架的释放、拉伸变形测量的可信性问题。弯曲测试具有可获得较大的横向变形，夹持简单，对中问题不突出，操作简单等优点，且受力分析和数据分析较弯扭测试更简单，是微尺度下力学特性测试常用的方法之一。但搭建一个高精度的片外弯曲测试装置，不仅要考虑解决影响测量精度的问题，还要考虑装置的结构复杂性、性价比和是否容易升级等问题。

目前国外微结构力学性能片外弯曲测试装置一般有以下特点：大部分的装置比较复杂，所用功能组件较昂贵；有的装置对试样的夹持可靠性不理想，对准不便，容易出现大挠度时压头滑动等问题；有的装置安装了过多的机械结构，引入了影响测量结果的不可测因素；有的装置利用纳米压头进行弯曲测试，成本过大。

发明内容

本发明的目的是克服现有弯曲测试装置的缺点，提供一种微结构力学性能片外弯曲测试装置。该装置具有成本较低，结构简单，试样夹持和对中方便可靠，精度较高，可平滑升级等特点，能充分满足微构件材料力学性能片外弯曲强度和疲劳测试的要求。

实现本发明目的采用的技术方案如下：

微结构力学性能片外弯曲测试装置，包括三维移动平台、抗振固定块、隔振底座、试样夹持部分、驱动部分、载荷检测部分、位移检测部分和放大观测部分；所述三维移动平台设在隔振底座的一侧，所述抗振固定块设在隔振底座的另一侧，所述试样夹持部分设在抗振固定块上，所述驱动部分设在三维移动平台上，所述载荷检测部分与驱动部分连接并与试样夹持部分对应，所述位移检测部分设在三维移动平台和抗振固定块之间，所述放大观测部分设在隔振底座上对准试样夹持部分。

所述三维移动平台包括两个在水平方向正交布置的两个单轴直线运动的水平位移台和一个垂直方向布置的单轴直线运动的垂直位移台。

所述驱动部分包括封装的致动器及固定致动器的固定架，固定架固定在垂直方向的垂直位移台上。

所述载荷检测部分包括顶针、微力传感器，所述顶针固定在微力传感器的一端上，微力传感器的另一端通过微力传感器连接件固定在致动器上。

所述位移检测部分包括位移传感器及位移传感器感应块，位移传感器感应块设在抗振固定块上，位移传感器通过位移传感器连接件固定在致动器上。

所述试样夹持部分包括本体，本体的正面设有正方形凹槽，凹槽中心设有中央通孔，本体的四周设有伸入凹槽的紧固螺杆。

所述放大观测部分包括CCD摄像机、显微镜和三自由度运动支架，三自由度运动支架包括设在隔振底座上的竖杆、沿竖杆运动的横杆、沿横杆运动且绕横杆转动的支杆，CCD摄像机设在显微镜的目镜上，显微镜固定在支杆上并对准试样夹持部分上的正方形凹槽。

本发明的有益效果是可以同时完成对多根梁进行弯曲强度或疲劳特性的测试，实现高效测试，具有结构简单，制作成本低，夹持和对中简单，省去放大观察装置，测试成本低且高效可靠等优点，还能避免常用片外弯曲测试结构存在的如大挠度时压头滑动的问题，使微尺度下的弯曲力学性能测试更加高效、可靠。

下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明中的试样夹持部分。

图3是试样夹持示意图。

具体实施方式

参见图1，微结构力学性能片外弯曲测试装置，包括三维移动平台、抗振固定块20、隔振底座21、试样夹持部分、驱动部分、载荷检测部分、位移检测部分和放大观测部分；

所述三维移动平台设在隔振底座21的一侧，三维移动平台包括两个在水平方向正交布置的两个单轴直线运动的水平位移台1a、1b和一个垂直方向布置的单轴直线运动的垂直位移台1c，水平位移台1a通过螺钉30固定在隔振底座21上，水平位移台1b沿水平位移台1a运动，垂直位移台1c与水平位移台1b之间通过位移台连接支架2用螺钉3进行连接；

所述驱动部分设在三维移动平台上，驱动部分包括封装的致动器28及固定致动器的固定架4，固定架4通过螺钉5固定在垂直位移台1c上，致动器28的底部开有内螺纹孔，垂直位移台1c的载物块32的中心开有内螺纹孔，两者通过螺杆固连，致动器28由固定架4支撑固定，致动器28可选用压电陶瓷、音圈电机等，压电陶瓷有位移输出刚度大，振幅较大等优点，但存在蠕变、漂移等缺点；而音圈电机没有上述缺点，且能提供高频振动，但振幅较小。实际操作中，可根据需求选用合适的致动器；

所述载荷检测部分与驱动部分连接并与试样夹持部分对应，所述载荷检测部分包括顶针14、微力传感器27，所述顶针14通过螺纹连接固定在微力传感器27的一端上，微力传感器27的另一端通过微力传感器连接件13固定在致动器28上，微力传感器27可选用应变计、压电式传感器等；

所述位移检测部分设在三维移动平台和抗振固定块之间，所述位移检测部分包括位移传感器23及位移传感器感应块22；所述位移传感器感应块22设在抗振固定块20上，位移传感器感应块22的底部开有三个标准螺纹孔，由三个螺钉贯穿抗振固定块20从其背后固定在抗振固定块20上；位移传感器23通过位移传感器连接件25固定在致动器28上，位移传感器23中部是标准外螺纹，通过两个螺母24与位移传感器连接件25连接，位移传感器连接件25由螺母29紧固在致动器28的探头上，位移检测传感器23可采用涡流传感器、电感式传感器等；

所述抗振固定块20设在隔振底座21的另一侧，所述试样夹持部分设在抗振固定块20上；所述试样夹持部分（参见图2），包括通过内六角螺钉15固定在抗振固定块20上的本体16，本体16的正面设有正方形凹槽33，凹槽33中心设有贯通孔，本体16的四周设有伸入凹槽的紧固螺杆18和螺母17，四根紧固螺杆18可将试样34固定于本体16的凹槽33内，并由四个螺母17紧固，本体16的凹槽中心开有中央通孔31，在测试时，凹槽33用于支撑试样34的外框架，而中央通孔31与试样34的测试部分对准，使测试部分有足够的活动空间；抗振固定块20通过四个螺钉19与抗振底座21固连；

所述放大观测部分设在隔振底座21上对准试样夹持部分，所述放大观测部分包括CCD摄像机10、显微镜12和三自由度运动支架，三自由度运动支架包括设在隔振底座21上的竖杆9、沿竖杆9运动的横杆8、沿横杆8运动且绕横杆8转动的支杆11，横杆8和支杆11之间通过螺钉6和螺母7连接并紧固，CCD摄像机10的下端与显微镜12的目镜上端通过标准螺纹孔相连，显微镜12固定在支杆11上并对准试样夹持部分上的正方形凹槽，竖杆9的基座通过两个螺钉26与抗振底座21连接。

本发明使用时，首先进行测试的准备工作，把整个片外弯曲测试装置放在一个减震装置上，利用MEMS加工工艺技术加工出弯曲测试微结构，标定好位移传感器23、微力传感器27的静态特性，调整实验中用到的各种仪器设备至正常工作状态，调试弯曲测试的控制软件使其能够快速准确采集和记录数据，并能实时显示。

安装试样34时（参见图3），首先将试样34安放在试样夹持部分本体16的凹槽33内，调整四个螺母17和螺杆18使试样34的测试部分基本正对中央通孔31，再借助CCD摄像机10、显微镜12和三自由度运动支架组成的放大观测部分，微调螺杆18和螺母17，保证试样34的弯曲测试结构悬空，试样34的外框架均匀接触本体16的凹槽33底部，再调整三维移动平台，使顶针14与试样34上的对准标记接触，为保证接触可靠，可进行预加载。

进行弯曲测试时，由封装的致动器28及致动器固定架4组成的驱动部分在驱动电源的作用下向试样34施加缓慢单调增加或循环变化的位移载荷，由顶针14、微力传感器27以及致动器28和微力传感器27的连接件13组成的载荷检测部分测量试样34在加载过程中的受力，由位移传感器23、位移传感器23和致动器28的连接件25及位移传感器感应块22组成的位移检测部分测量加载过程中的位移量，直至弯曲测试的结构断裂，由CCD摄像机10、显微镜12和三自由度运动支架组成的放大观测部分检测试样34加载过程中的表面形貌变化，辅助判断是否准确对中，及试样34是否发生断裂。

测试结束后，卸载，取下试样34以作进一步分析。

Claims (2)

1.一种微结构力学性能片外弯曲测试装置，包括三维移动平台、抗振固定块、隔振底座、试样夹持部分、驱动部分、位移检测部分和放大观测部分；所述三维移动平台设在隔振底座的一侧，所述抗振固定块设在隔振底座的另一侧，所述试样夹持部分设在抗振固定块上，所述驱动部分设在三维移动平台上，所述位移检测部分设在三维移动平台和抗振固定块之间，所述放大观测部分设在隔振底座上对准试样夹持部分；其特征是还包括载荷检测部分，所述载荷检测部分与驱动部分连接并与试样夹持部分对应；所述三维移动平台包括两个在水平方向正交布置的两个单轴直线运动的水平位移台和一个垂直方向布置的单轴直线运动的垂直位移台；所述驱动部分包括封装的致动器及固定致动器的固定架，固定架固定在垂直方向的垂直位移台上；所述载荷检测部分包括顶针、微力传感器，所述顶针固定在微力传感器的一端上，微力传感器的另一端通过微力传感器连接件固定在致动器上；所述位移检测部分包括位移传感器及位移传感器感应块，位移传感器感应块设在抗振固定块上，位移传感器通过位移传感器连接件固定在致动器上；所述试样夹持部分包括本体，本体的正面设有正方形凹槽，凹槽中心设有中央通孔，本体的四周设有伸入凹槽的紧固螺杆。

2.根据权利要求1所述的微结构力学性能片外弯曲测试装置，其特征是所述放大观测部分包括CCD摄像机、显微镜和三自由度运动支架，三自由度运动支架包括设在隔振底座上的竖杆、沿竖杆运动的横杆、沿横杆运动且绕横杆转动的支杆，CCD摄像机设在显微镜的目镜上，显微镜固定在支杆上并对准试样夹持部分上的正方形凹槽。