CN108871972B - 具有大量程高精度的柔性铰链微构件弯曲测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有大量程高精度的柔性铰链微构件弯曲测试装置，其中，加载机构是由直线电机输出初始位移、经一级位移缩小机构缩小后输出为一级位移，二级位移放大机构是通过第一压电陶瓷驱动器产生位移、并放大输出为二级位移，与一级位移累加作为最终位移，刀头以最终位移为朝向试件前进的位移量，并是通过压力传感机构测量刀头前进时所受力、通过光栅位移传感机构读取刀头前进位移量；夹持机构的夹持体是通过对第二压电陶瓷驱动器产生的位移放大后输出，传递给夹持体输出端的一对夹持头、形成对试件的夹持。本发明能实现微力微位移的微纳米级精确加载，保证夹持和弯曲过程中良好的导向性，从而适应各种材料的微构件力学性能测试。
Description
技术领域
本发明涉及一种薄膜材料技术领域的微纳材料的力学性能测试装置，更具体地说是一种具有大量程高精度的柔性铰链微构件弯曲测试装置。
背景技术
随着微机电系统(MEMS)技术的迅速发展，各种材料的微构件被广泛应用于微器件中。MEMS微构件的尺寸一般在毫米级到微米级，受加工工艺、尺寸效应、表面缺陷等因素影响，微尺寸下材料的力学性能与宏观尺寸下的力学性能可能发生较大的变化。因此，微构件力学性能是研究MEMS重要的理论基础，对MEMS器件的可靠性设计十分重要。单向弯曲试验是测量材料弹性模量、泊松比、屈服强度和断裂强度等参数最直接的方法，但由于微构件的尺寸小，传统拉伸测试设备存在试样的夹持、导向不准等不足，需要设计出适应微构件力学性能测量的弯曲试验系统。
目前，清华大学丁建宁等人通过硅微工艺制作了多晶硅微悬臂梁，利用纳米硬度计对该试件进行弯曲试验来测定其弹性模量等力学参数，可以测量到纳米级的弯曲形变，但是必须考虑纳米硬度计的压头在微悬臂梁上的压入沿着宽度方向的挠曲变形分量对结果造成的误差；西安交通大学王海容和蒋庄德等人设计制造了一套可以进行微构件力学特性测试的仪器，该仪器能测出待测试件的载荷位移曲线，通过这些曲线的分析能够得到硬度、弹性模量、屈服强度、断裂韧度等力学性能；中国工程物理学院与北京航空航天大学陈樟等人提出了一种非接触式的弯曲测试法－微射流驱动的弯曲测试方法。
上述方法中集成式弯曲法试件的切口形状对断裂的产生影响较大，测量的结果对器件的微加工工艺水平依赖较大；非接触式静电加载方法避免了压头与试件直接接触带来的损伤，但是残余应力需要是拉应力，能测量的力学较少。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一。为此，本发明提出一种操作方便、低成本的具有大量程高精度的柔性铰链微构件弯曲测试装置，以期克服现有测量方法中因导向精度低引起的测量误差和非接触时测量力学较少的不足，实现微力微位移的微纳米级精确加载，保证夹持和弯曲过程中良好的导向性，从而适应各种材料的微构件力学性能测试。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种具有大量程高精度的柔性铰链微构件弯曲测试装置，其结构特点是：由加载机构、压力传感机构、光栅位移传感机构、刀头支承机构及夹持机构构成；
加载机构是由直线电机输出初始位移、经两级加载机构中的一级位移缩小机构缩小后输出为一级位移，所述两级加载机构中的二级位移放大机构是通过第一压电陶瓷驱动器产生位移、并放大输出为二级位移，以所述一级位移与二级位移的累加位移为最终位移，设于二级位移放大机构输出端的刀头由刀头支承机构承托、以所述最终位移为朝向试件前进的位移量，并是通过压力传感机构测量刀头前进时所受力、通过光栅位移传感机构读取刀头前进位移量；
所述夹持机构是在夹持基座上设置夹持体，所述夹持体为位移放大机构、位置可调，是通过对第二压电陶瓷驱动器产生的位移放大后输出，传递给夹持体输出端的一对夹持头，使所述一对夹持头能够以相对张合的形式形成对试件的夹持。
本发明的结构特点也在于：
一级位移缩小机构为直型柔性铰链与圆弧型柔性铰链相结合的对称结构，输入端与所述直线电机的输出端相接触；
二级位移放大机构与夹持体均为结构对称的二级放大柔性铰链机构、由输入级放大结构与输出级放大结构构成。
第一压电陶瓷驱动器是通过第一预紧机构实现在二级位移放大机构上的预紧，所述第一预紧机构的结构设置为：
第一压电陶瓷驱动器置于二级位移放大机构的容纳槽中，前端由抵板承托、前端面紧贴前槽壁，后端面通过楔形块组件紧贴于后槽壁；
所述楔形块组件是由前后紧密贴合的第一楔形块与第二楔形块构成，以第二楔形块的后端斜面紧贴于后槽壁，二级位移放大机构上、位于第二楔形块的正上方设有预紧板，所述预紧板与第二楔形块之间由预紧螺钉纵向贯穿连接，通过旋转所述预紧螺钉实现对第一压电陶瓷驱动器预紧效果的调节。
刀头通过压力传感机构安装在二级位移放大机构输出端上，所述压力传感机构的结构设置为：
固定板固装于二级位移放大机构的输出端上，压力传感器安装在所述固定板上、前端与刀头的后端螺纹连接。
所述光栅位移传感机构的光栅读数头设置在支撑架上、位于刀头正上方，距离刀头上端面之间的间距可调。
所述试件为侧立的“凸”字形平板状结构，大头端被所述一对夹持头夹持，小头端置于刀头正前方。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明加载机构中应用了两级加载的结构，其中的一级加载机构为位移缩小机构，采用直型柔性铰链与圆弧型柔性铰链结合的方式，其中，直型柔性铰链可以减小其弯曲时所带来附加的弯曲应力，从而在相同输入力的情况下得到更大的输出力；圆弧型柔性铰链有较大的刚度，因此该结构可以在输出更大的轴向力时能保持不弯曲的状态；
2、本发明加载机构中的二级加载机构与夹持体均为位移放大机构，采用圆弧型柔性铰链，可通过改变放大结构的杆长、铰链支点处最小厚度和铰链切口圆弧半径，来调整其整体放大比，二级加载机构与夹持体均采用压电陶瓷驱动器驱动，经柔性铰链将位移放大后输出，可通过调节加载在压电陶瓷驱动器上的电压，使压电陶瓷不同程度地伸长，输出微纳米级的微小位移量并经放大后输出，来实现微力微位移的精确加载，结合柔性铰链的结构对称设计，可以保证微构件的夹持对中、推力加载方向沿着固定的方向前进；
3、本发明所用器件及试件的制备工艺简单，实验操作方便，成本低，能够满足多种材料的微构件力学性能的精确检测要求。
附图说明
图1是本发明弯曲测试装置的整体结构示意图；
图2是图1中加载机构的结构示意图(基座未示出)；
图3是图2所示第一压电陶瓷驱动器未安装到位时的结构示意图；
图4是图1中压力传感机构的结构示意图；
图5是图1中光栅位移传感机构的结构示意图；
图6是图1中夹持机构的结构示意图；
图7是图6中夹持头的结构示意图；
图8是图1中刀头的结构示意图；
图9是图1中试件的结构示意图；
图10是两级加载机构中一级位移缩小机构的原理图；
图11是两级加载机构中二级位移放大机构的原理图；
图12是夹持体的原理图。
图中，1加载机构；2压力传感机构；3光栅位移传感机构；4刀头支承机构；5夹持机构；6基座；7直线电机；8L型板；9一级位移缩小机构；10二级位移放大机构；11第一压电陶瓷驱动器；12容纳槽；13抵板；14第一楔形块；15第二楔形块；16预紧板；17预紧螺钉；18固定板；19压力传感器；20刀头；21支撑架；22支撑板；23光栅读数头；24刀头支撑体；25刀头支撑棒；26夹持基座；27夹持体；28第二压电陶瓷驱动器；29夹持头；30试件。
具体实施方式
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，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作出创造性劳动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。
请参照图1至图9，本实施例的具有大量程高精度的柔性铰链微构件弯曲测试装置是由加载机构1、压力传感机构2、光栅位移传感机构3、刀头支承机构4及夹持机构5构成；
加载机构1是由直线电机7输出初始位移、经两级加载机构中的一级位移缩小机构9缩小后输出为一级位移，两级加载机构中的二级位移放大机构10是通过第一压电陶瓷驱动器11产生位移、并放大输出为二级位移，以一级位移与二级位移的累加位移为最终位移，设于二级位移放大机构10输出端的刀头20由刀头支承机构4承托、以最终位移为朝向试件30前进的位移量，并是通过压力传感机构2测量刀头20前进时所受力、通过光栅位移传感机构3读取刀头20前进位移量；
夹持机构5是在夹持基座26上设置夹持体27，夹持体27为位移放大机构、位置可调，是通过对第二压电陶瓷驱动器28产生的位移放大后输出，传递给夹持体27输出端的一对夹持头29，使一对夹持头29能够以相对张合的形式形成对试件30的夹持。
具体实施中，相应的结构设置也包括：
一级位移缩小机构9为直型柔性铰链与圆弧型柔性铰链相结合的对称结构，输入端与直线电机7的输出端相接触；其中，直型柔性铰链可以减小其弯曲时所带来附加的弯曲应力，从而在相同输入力的情况下得到更大的输出力；圆弧型柔性铰链有较大的刚度，因此该结构可以在输出更大的轴向力时能保持不弯曲的状态；
二级位移放大机构10与夹持体27均为结构对称的二级放大柔性铰链机构、均是由输入级放大结构与输出级放大结构构成，且是采用圆弧型柔性铰链结构。
实施时，整套装置置于水平实验台(未图示)上，加载机构1的基座6通过螺钉固装在水平实验台上，两级加载机构安装在基座6前端，直线电机7安装在基座6后端的L型板8上，输出端与一级位移缩小机构9的输入端恰好接触且不受力，该直线电机7可输出微米级精度的输出位移，用计算机控制直线电机7使其可输出0-10mm初始位移，作为一级位移缩小机构9的输入位移，此时一级位移缩小机构9能够输出0-3mm的位移量，从而使一级位移缩小机构9能输出分辨率在微米级的一级位移。
请参照图2、图10及图11，加载机构1可通过调节直线电机7的输出来对最终位移进行粗调，通过调节第一压电陶瓷驱动器11上的电压来对最终位移进行微调，也可通过改变二级位移放大机构10的柔性铰链各级放大结构的杆长、铰链支点处最小厚度和铰链切口圆弧半径，来调整其整体放大比，得到不同的输出压力，以适应对不同材料或不同尺寸试件30的弯曲测试。且二级位移放大机构10的结构对称设计，可消除侧向的附加位移，保证测量时加载的压力沿着试件30弯曲方向前进。
请参照图3，第一压电陶瓷驱动器11是通过第一预紧机构实现在二级位移放大机构10上的预紧，第一预紧机构的结构设置为：第一压电陶瓷驱动器11置于二级位移放大机构10的容纳槽12中，前端由抵板13承托、前端面紧贴前槽壁，后端面通过楔形块组件紧贴于后槽壁；
楔形块组件是由前后紧密贴合的第一楔形块14与第二楔形块15构成，以第二楔形块15的后端斜面紧贴于后槽壁，二级位移放大机构10上、位于第二楔形块15的正上方设有预紧板16，预紧板16与第二楔形块15之间由预紧螺钉17纵向贯穿连接，通过旋转预紧螺钉17使第一压电陶瓷驱动器11的前端面、第二楔形块15的后端斜面分别紧贴于容纳槽12的前后槽壁，从而达到对第一压电陶瓷驱动器11的预紧效果。
请参照图4，刀头20通过压力传感机构2安装在二级位移放大机构10输出端上，压力传感机构2的结构设置为：
固定板18固装于二级位移放大机构10的输出端上，压力传感器19安装在固定板18上、前端与刀头20的后端螺纹连接，以便测量刀头20前进时所受力。具体实施时，压力传感器19可根据被测材料的参考力学性能进行选型，依据不同的被测材料进行相应替换，以适应对多种不同材料的微构件力学性能的测量。
刀头20由其下方的刀头支承机构4承托，该刀头支承机构4是在刀头20的下方放置一刀头支撑体24，以刀头支撑体24上端凹槽中的刀头支承棒25承托于刀头20底端。
请参照图5，光栅位移传感机构3位于压力传感机构2的前方，其中的光栅读数头23设置在支撑架21上、位于刀头20正上方，距离刀头20上端面之间的间距可调。具体的，支撑架21固定在水平实验台上，光栅读数头23是固定在支撑架21上的支撑板22上，该支撑板22在紧固前可以上下平移以调节光栅读数头23与刀头20之间的垂直间距，使光栅读数头23与刀头20之间保持非接触，垂直间距保持在0.8±0.2mm，以便光栅读数头23能够正确读取刀头20的前进位移。
请参照图6、图7，作为一个可选的方案，夹持机构5的夹持基座26及夹持体27上分别设腰形安装孔，且夹持基座26与夹持体27上的腰形安装孔之间呈横纵向十字布设，夹持基座26通过螺钉安装在水平实验台上、且在固定前可在水平实验台上进行一维移动以便对刀头20位置进行粗调，夹持体27通过螺钉安装在夹持基座26上、在固定前可进行另一维微小移动以便于对刀头20位置进行粗调。
一对夹持头29固定在夹持体27的前部，夹持体27的后部安装有上述第二压电陶瓷驱动器28，调节在第二压电陶瓷驱动器28上的电压，使第二压电陶瓷驱动器28伸长，输出微纳米级的微小位移量，第二压电陶瓷驱动器28产生的位移量经夹持体27的柔性铰链进行放大后输出，提供一对夹持头29夹持试件30所需的压力。
如图12所示，与上述二级位移放大机构10原理相同，夹持机构5中，可通过调节第二压电陶瓷驱动器28上的电压对输出压力进行微调，也可通过改变夹持体27的柔性铰链的各级放大结构的杆长、铰链支点处最小厚度和铰链切口圆弧半径，来调整其整体放大比，得到不同的输出压力。夹持体27的柔性铰链的结构对称设计，可消除侧向的附加位移，保证测量时夹持的压力与试件30弯曲方向垂直。
请参照图8，试件30为侧立的“凸”字形平板状结构，以便夹持及进行弯曲测量，其长度方向与刀头20的前进方向相垂直，大头端被一对夹持头29夹持固定，小头端置于刀头20正前方。试件30的厚度在0.5mm-1mm之间选取，本实施例中选做了镍和铜两种材料的弯曲试件30，可通过精密激光切割或化学电镀的工艺加工获得。
具有上述结构的弯曲测试装置在测量时，其操作过程如下：
1、将试件30的大头端安装在夹持机构5的一对夹持头29之间，驱动夹持机构5上的第二压电陶瓷驱动器28使夹持体27柔性铰链产生对试件30的正压力；
2、开启压力传感器19以及光栅读数头23，准备对压力及位移进行记录；
3、驱动直线电机7对试件30弯曲所需的弯曲应力及弯曲量进行粗调，到达直线电机7最大量程后驱动第一压电陶瓷驱动器11对试件30弯曲所需的弯曲应力及弯曲量进行微调；
4、已知试件30的初始长度和横截面积，进而可以绘制出测量过程中试件30的应力-应变曲线，进一步可求出弹性模量、弯曲强度、挠度等力学性能参数。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (5)
1.一种具有大量程高精度的柔性铰链微构件弯曲测试装置，其特征是：由加载机构(1)、压力传感机构(2)、光栅位移传感机构(3)、刀头支承机构(4)及夹持机构(5)构成；
加载机构(1)是由直线电机(7)输出初始位移、经两级加载机构中的一级位移缩小机构(9)缩小后输出为一级位移，所述两级加载机构中的二级位移放大机构(10)是通过第一压电陶瓷驱动器(11)产生位移、并放大输出为二级位移，以所述一级位移与二级位移的累加位移为最终位移，设于二级位移放大机构(10)输出端的刀头(20)由刀头支承机构(4)承托、以所述最终位移为朝向试件(30)前进的位移量，并是通过压力传感机构(2)测量刀头(20)前进时所受力、通过光栅位移传感机构(3)读取刀头(20)前进位移量；
第一压电陶瓷驱动器(11)是通过第一预紧机构实现在二级位移放大机构(10)上的预紧，所述第一预紧机构的结构设置为：第一压电陶瓷驱动器(11)置于二级位移放大机构(10)的容纳槽(12)中，前端由抵板(13)承托、前端面紧贴前槽壁，后端面通过楔形块组件紧贴于后槽壁；所述楔形块组件是由前后紧密贴合的第一楔形块(14)与第二楔形块(15)构成，以第二楔形块(15)的后端斜面紧贴于后槽壁，二级位移放大机构(10)上、位于第二楔形块(15)的正上方设有预紧板(16)，所述预紧板(16)与第二楔形块(15)之间由预紧螺钉(17)纵向贯穿连接，通过旋转所述预紧螺钉(17)实现对第一压电陶瓷驱动器(11)预紧效果的调节；
所述夹持机构(5)是在夹持基座(26)上设置夹持体(27)，所述夹持体(27)为位移放大机构、位置可调，是通过对第二压电陶瓷驱动器(28)产生的位移放大后输出，传递给夹持体(27)输出端的一对夹持头(29)，使所述一对夹持头(29)能够以相对张合的形式形成对试件(30)的夹持。
2.根据权利要求1所述的具有大量程高精度的柔性铰链微构件弯曲测试装置，其特征是：
一级位移缩小机构(9)为直型柔性铰链与圆弧型柔性铰链相结合的对称结构，输入端与所述直线电机(7)的输出端相接触；
二级位移放大机构(10)与夹持体(27)均为结构对称的二级放大柔性铰链机构、由输入级放大结构与输出级放大结构构成。
3.根据权利要求1所述的具有大量程高精度的柔性铰链微构件弯曲测试装置，其特征是刀头(20)通过压力传感机构(2)安装在二级位移放大机构(10)输出端上，所述压力传感机构(2)的结构设置为：
固定板(18)固装于二级位移放大机构(10)的输出端上，压力传感器(19)安装在所述固定板(18)上、前端与刀头(20)的后端螺纹连接。
4.根据权利要求1所述的具有大量程高精度的柔性铰链微构件弯曲测试装置，其特征是：
所述光栅位移传感机构(3)的光栅读数头(23)设置在支撑架(21)上、位于刀头(20)正上方，距离刀头(20)上端面之间的间距可调。
5.根据权利要求1所述的具有大量程高精度的柔性铰链微构件弯曲测试装置，其特征是：
所述试件(30)为侧立的“凸”字形平板状结构，大头端被所述一对夹持头(29)夹持，小头端置于刀头(20)正前方。
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