CN1995959A

CN1995959A - 附加弹性梁的微拉伸试样结构

Info

Publication number: CN1995959A
Application number: CN 200610047219
Authority: CN
Inventors: 褚金奎; 张段芹; 沈洪源; 关乐; 王晓东
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2006-07-15
Filing date: 2006-07-15
Publication date: 2007-07-11
Anticipated expiration: 2026-07-15
Also published as: CN100480667C

Abstract

本发明一种附加弹性梁的微拉伸试样结构，属于微机电系统领域中的力学性能测试应用元件领域。附加弹性梁的微拉伸试样结构由固定端，拉伸试样，弹性支撑部分，加载端等主要部分构成。弹性支撑部分为轴对称的，中间为大面积平板，一端连接试样，另一端延伸至加载端，两侧是柔性弹性梁。微拉伸试样结构作为整体采用MEMS微加工工艺制作，无需装配，能够有效减小微尺度下试样夹持、对中困难所造成的误差，提高测试的精度和可靠性，为微尺度下力学理论体系的建立提供更有效的数据。

Description

附加弹性梁的微拉伸试样结构

技术领域

本发明附加弹性梁的微拉伸试样结构，属于微机电系统领域中的力学性能测试应用元件领域。

背景技术

微机械电子系统中的力学性能测试技术的发展远远落后于微机械电子系统领域中的其它技术，主要原因是试验测试装置趋于复杂化、微型化，再者是影响微机械特性的因素趋于多样化、复杂化。这些因素要求微尺度下力学量的检测精度更高。常规的力学测试方法有微拉伸法，微梁弯曲法、纳米压痕法和微梁振动法等，单轴拉伸法可直接测试材料应力-应变关系，具有试验数据易于分析说明，实验数据通用性强等优点；可测量弹性模量，泊松比，屈服强度和断裂强度。单轴拉伸法已成为微尺度下力学特性测试最常用的测试方法之一。但由于试样的尺寸在微纳米级，试样的装夹和定位都很困难。

常见的微拉伸测试试样在固定端与加载端有较大的面积，以便于夹持和加载，为防止试样夹持时损坏，试样结构上附有保护性框架，但在测试前需切除。另一种方法是采用集成测试结构，即将驱动器与试样加工在同一芯片内，避免了试样夹持与定位；但是其最大缺点是极大地增加了测试结构的微加工制作难度。Haque.M.A等提出一种外部压电驱动的集成力传感器的拉伸测试结构，此结构中增加了支撑梁以减小试样的非轴向变形，但是由于支撑梁承受的拉伸力的存在，作用在试样上的拉伸力需要在测试结构内部测量，试样上力的标定以及位移标定比较困难。

发明内容

本发明的目的是就微拉伸测试方法中存在的装夹、对中问题，设计了附加弹性梁的拉伸试样结构。弹性支撑梁在横向上的刚度常数远大于试样轴向刚度常数，有效抑制非轴向载荷引起的扭弯应变，提高微拉伸法测试精度和可靠性。另一方面，弹性支撑梁在轴向的刚度常数又远小于试样轴向刚度常数，确保弹性支撑梁上承受的荷载拉力相比试样中的可忽略不计，试样上的拉伸力可在测试结构内部或外部检测。将该测试结构安装在相应的微拉伸测试装置上可进行弹性模量，断裂强度以及疲劳性能等测试。该附加弹性支撑梁的拉伸试样结构采用MEMS微加工工艺制作。

本发明采用的技术方案是附加弹性梁的微拉伸试样结构由三层不同材料固结而成，下层为基底i，中间为过渡层ii，上层为被测薄膜层iii；微拉伸试样结构整体相对拉伸试样2的轴线对称；微拉伸试样结构由固定端1，微桥状的拉伸试样2，加载端4组成，根据基底i刻蚀的情况有两种微拉伸试样结构：基底i被部分刻蚀的称为体微拉伸试样结构；基底i没被刻蚀的称为面微拉伸试样结构；其中：

a)、附加弹性梁的微拉伸试样结构是体微拉伸试样结构，其特征是，微拉伸试样结构还具有弹性支撑部分，弹性支撑部分由1个大面积平板3，4个直线型弹性梁5、6、7、8，两个支撑框架9和10，两个切除标记梁11和12组成；大面积平板3左侧凹口处与拉伸试样2的一端在连接点A处相连，大面积平板3右端与加载端4中心相连；拉伸试样2左端与固定端1中部相连；支撑框架9的左端与固定端1相连，右端通过切除标记梁11与加载端4相连；支撑框架10的左端与固定端1相连，右端通过切除标记梁12与加载端4相连；直线型弹性梁5、6的一端与大面积平板3的一个侧面相连，另一端与支撑框架9连接；直线型弹性梁7、8的一端与大面积平板3的另一个侧面相连，另一端与支撑框架10连接；固定端1和加载端4含有基底i，过渡层ii和待测薄膜层iii；拉伸试样2只有待测薄膜层iii；切除标记梁11、12，支撑框架9、10，大面积平板3和直线型弹性梁5、6、7、8由部分厚度的基底i，过渡层ii和待测薄膜层iii构成；大面积平板3和直线型弹性梁5、6、7、8或只由待测薄膜层iii构成；体微拉伸试样结构其余部分全部是空的。见附图1，附图2，附图3。

b)、附加弹性梁的微拉伸试样结构是面微拉伸试样结构，其特征是：微拉伸试样结构也具有弹性支撑部分，弹性支撑部分由1个大面积平板3，4个直线型弹性梁5、6、7、8与4个锚点13、14、15、16组成；与大面积平板3一侧相连的2个直线型弹性梁5、6的另一端分别连接锚点13、14；与大面积平板3另一侧相连的两个直线型弹性梁7、8的另一端分别连接锚点15、16；大面积平板3左侧凹口处与拉伸试样2在连接点A处相连，其右端与加载端4相连；拉伸试样2左端与固定端1中部相连；被测薄膜层iii除了在固定端1和锚点13、14、15、16通过过渡层ii与基底i固接外，其它部分悬空，见附图4。

附加弹性梁的微拉伸试样结构是面微拉伸试样结构，其特征是直线型弹性梁5、6、7、8的形状或是蟹腿型弹性梁17、18、19、20或是折叠式弹性梁21、22，见附图5，附图6。

本发明的最佳效果是附加弹性梁的微拉伸试样结构采用成熟的MEMS微加工工艺制作，拉伸试样性能不会因增加弹性梁而改变。因为拉伸试样尺寸在微米量级。在试样结构中增加弹性梁，有效减小了非轴向加载力引起的扭转和弯曲变形；另一方面，弹性梁上承受的拉力相比拉伸试样上的可忽略不计，加载拉力可以在试样结构外部检测。

附图说明

附图1是弹性梁厚度与试样厚度不等时的附加直线弹性梁的体微拉伸试样结构示意图，附图2是弹性梁厚度与试样厚度相同时的附加直线弹性梁的体微拉伸试样结构示意图，附图3是附加直线型弹性梁的体微拉伸测试结构平面图。其中：1-固定端；2-拉伸试样；3-大面积平板；4-加载端；5、6、7、8-直线型弹性梁；9、10-支撑框架；11、12-切除标记梁；i-基底；ii-过渡层；iii-被测薄膜层；A-连接点。

附图4是附加直线弹性梁的面微拉伸试样结构示意图，其中：1-固定端；2-拉伸试样；3-大面积平板；4-加载端；5、6、7、8-直线型弹性梁；13、14、15、16-锚点；i-基底；ii-过渡层；iii-被测薄膜层；A-连接点。

附图5是附加蟹腿型弹性梁的微拉伸测试结构平面图，其中：1-固定端；2-拉伸试样；3-大面积平板；4-加载端；13、14、15、16-锚点；17、18、19、20-蟹腿型弹性梁；A-连接点。

附图6是附加折叠型弹性梁的微拉伸测试结构平面图，其中：1-固定端；2-拉伸试样；3-大面积平板；4-加载端；21、22-折叠弹性梁；23、24-锚点；A-连接点。

具体实施方式

结合附图1、附图2、附图3详细说明本发明的具体实施，附加弹性梁的微拉伸试样结构是体微拉伸试样结构时，其弹性支撑梁的中部有大面积平板3，一端连接拉伸试样2，另一端连接加载端4，两侧连接直线型弹性梁5、6、7、8。拉伸试样2与大面积平板3的连接点靠近直线型弹性梁的几何中心。做拉伸实验时，将微拉伸试样结构中的固定端1固定在静载物台上，加载端4固定在动载物台上，切断切除标记梁5，通过移动动载物台而拉伸试样。在直线型弹性梁5、6、7、8的作用下，当总加载力与轴向成5°角时，除了在试样两端存在应力集中外，试样在轴向的应力分布很均匀，同时垂直方向的应力很小，其平均应力小于轴向平均应力的0.5％。本发明可有效抑制非轴向载荷引起的扭转和弯曲应变，提高微拉伸法测试精度和可靠性，并且确保弹性支撑梁上承受的荷载拉力相比试样中的可忽略不计，试样上的拉伸力可在测试结构内部或外部检测。

结合附图4说明，附加弹性梁的微拉伸试样结构是面微拉伸试样结构时，弹性支撑梁的中部有大面积平板3一端连接拉伸试样2，另一端连接加载端4，两侧是直线型弹性梁5、6、7、8。拉伸试样2与大面积平板3的连接点靠近直线型弹性梁(4根)的几何中心。除了固定端1和锚点8通过过渡层材料ii固定在基底i上外，其它部分悬空。将基底i固定在静载物台上，加载方式采用静电吸附或真空吸附等方法将加载端安装在动载物台的吸附探针上而拉伸试样。当总加载力与轴向成5°角时，除了在试样两端存在应力集中外，试样在X方向的应力分布很均匀，同时Y方向的应力很小，平均应力小于X方向平均应力的0.5％。附图5，附图6中表示附加弹性梁微拉伸试样结构是面微拉伸试样结构时，直线型弹性梁5、6、7、8的形状也可取为蟹腿型弹性梁17、18、19、20或是折叠式弹性梁21、22。

Claims

1、附加弹性梁的微拉伸试样结构由三层不同材料固结而成，下层为基底(i)，中间为过渡层(ii)，上层为被测薄膜层(iii)；微拉伸试样结构整体相对拉伸试样(2)的轴线对称；微拉伸试样结构由固定端(1)，微桥状的拉伸试样(2)，加载端(4)组成，根据基底(i)刻蚀的情况有两种微拉伸试样结构：基底(i)被部分刻蚀的称为体微拉伸试样结构；基底(i)没被刻蚀的称为面微拉伸试样结构；其中：

a)、附加弹性梁的微拉伸试样结构是体微拉伸试样结构，其特征是，微拉伸试样结构还具有弹性支撑部分，弹性支撑部分由1个大面积平板(3)，4个直线型弹性梁(5)、(6)、(7)、(8)，两个支撑框架(9)和(10)，两个切除标记梁(11)和(12)组成；大面积平板(3)左侧凹口处与拉伸试样(2)的一端在连接点(A)处相连，大面积平板(3)右端与加载端(4)中部相连；拉伸试样(2)的左端与固定端(1)中部相连；支撑框架(9)左端与固定端(1)相连，右端通过切除标记梁(11)与加载端(4)相连；支撑框架(10)左端与固定端(1)相连，右端通过切除标记梁(12)与加载端(4)相连；直线型弹性梁(5)、(6)的一端与大面积平板(3)的一个侧面相连，另一端与支撑框架(9)连接；直线型弹性梁(7)、(8)的一端与大面积平板(3)的另一个侧面相连，另一端与支撑框架(10)连接；固定端(1)和加载端(4)含有基底(i)，过渡层(ii)和待测薄膜层(iii)；拉伸试样(2)只有待测薄膜层(iii)；切除标记梁(11)、(12)，支撑框架(9)、(10)，大面积平板(3)和直线型弹性梁(5)、(6)、(7)、(8)由部分厚度的基底(i)，过渡层(ii)和待测薄膜层(iii)构成；大面积平板(3)和直线型弹性梁(5)、(6)、(7)、(8)或只由待测薄膜层(iii)构成；体微拉伸试样结构其余部分全部是空的。

b)、附加弹性梁的微拉伸试样结构是面微拉伸试样结构，其特征是，微拉伸试样结构也具有弹性支撑部分，弹性支撑部分由1个大面积平板(3)，4个直线型弹性梁(5)、(6)、(7)、(8)与4个锚点(13)、(14)、(15)、(16)组成；与大面积平板(3)一侧相连的2个直线型弹性梁(5)、(6)的另一端分别连接锚点(13)、(14)；与大面积平板(3)另一侧相连的2个直线型弹性梁(7)、(8)的另一端分别连接锚点(15)、(16)；大面积平板(3)左测凹口处与拉伸试样(2)的一端在连接点(A)处相连，大面积平板(3)右端与加载端(4)中部相连；拉伸试样(2)左端与固定端(1)中部相连；被测薄膜层(iii)除了在固定端(1)和锚点(13)、(14)、(15)、(16)通过过渡层(ii)与基底(i)固接外，其它部分悬空。

2、如权利要求1所述的附加弹性梁的微拉伸试样结构是面微拉伸试样结构，其特征是，直线型弹性梁(5)、(6)、(7)、(8)的形状或是蟹腿型弹性梁(17)、(18)、(19)、(20)或是折叠式弹性梁(21)、(22)。