CN200993627Y - 基于超磁致伸缩原理的微结构弯扭疲劳试验装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种基于超磁致伸缩原理的微结构弯扭疲劳试验装置，属于微机电系统技术基础研究领域。本装置主要包括有基底(1)、超磁致复合层伸缩薄膜和“T”型试样(2)，超磁致复合层伸缩薄膜分为三层，中间一层为基片(4)，在基片(4)的上下分别镀有负超磁致伸缩薄膜(3)和正超磁致伸缩薄膜(5)。其中，在基底(1)的中心有一凹槽，超磁致复合层伸缩薄膜设置在该凹槽内，其一端固定在基底(1)上构成悬臂梁，另一端与“T”型试样(2)中间的一端固定连接，“T”型试样(2)的另两端分别固定在基底(1)上。本实用新型使试样处于弯扭的多轴受力环境中，与MEMS典型器件的受力环境相类似，其研究结果具有很高的实用价值。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种基于超磁致伸缩原理的微结构弯扭疲劳试验装置，属于MEMS(Micro-E1ectro-Mechanical System，微机电系统)技术基础研究领域。
背景技术
研究发现，许多材料在宏观尺度下与在微纳米尺度下表现出不同的特性，如在宏观状态下属于脆性材料的硅在微纳米尺度下会产生疲劳特性，金属薄膜特别是铜薄膜的疲劳强度随薄膜厚度的减小而明显升高，因此研究材料在微纳米尺度下的疲劳特性对于MEMS可靠性设计及寿命预测有着重要的意义。目前，国内外一些学者主要采用微力试验机开展片外测试，也有利用静电谐振原理开发的片上测试系统。片外测试一般局限于研究单轴疲劳，该方法中试件的制造工艺相对简单，但是试件的操纵、装卡、对中等比较困难；片上测试系统能够实现单轴疲劳和拉弯多轴疲劳，但系统制造工艺复杂，成品率低，成本高，且不易实现弯扭组合的多轴疲劳试验。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服了上述缺陷，提供了一种基于超磁致伸缩原理的微结构弯扭疲劳试验装置，本装置能够使试样处于弯扭的多轴受力环境中，对试样的弯扭疲劳特性进行研究。同时本装置还具有结构简单、易于加工的优点。
为了达到上述目的，本实用新型采取了如下技术方案。本装置主要包括有基底1、超磁致复合层伸缩薄膜和“T”型试样2。超磁致复合层伸缩薄膜由三层薄膜构成，从上至下依次为负磁致伸缩薄膜3、由弹性较好的材料制成的基片4和正磁致伸缩薄膜5。其中，在基底1的中心有一凹槽，超磁致伸缩薄膜设置在该凹槽内，其一端固定在基底1上构成悬臂梁结构，另一端与“T”型试样2中间的一端固定连接，试验2的另两端分别固定在基底1上。
所述的试样2固定在基底1的两端分别开有缺口，缺口相对于试验2中间端对称。
本实用新型的试验原理为：由通电的线圈产生交变磁场，将本实用新型的试验装置置于磁场中，磁场驱动超磁致复合层伸缩薄膜，负磁致伸缩薄膜3缩短，正磁致伸缩薄膜5伸长，从而带动基片4向上偏转，薄膜偏转产生的应力可以分解为竖直方向和水平方向，竖直方向应力将对试样2产生扭矩，水平方向应力将对试样2产生弯矩。当磁场减为零时，正负磁致伸缩薄膜变形恢复，但是由于重力和聚酰亚胺基片良好的弹性作用，将继续向下偏转。因此当磁场周期变化时，薄膜对试样2产生交变应力，以达到循环弯扭疲劳试验的效果。薄膜对试样2产生交变弯扭应力，可以通过调节流入线圈的电信号来改变应力大小。试样2的振幅检测装置由非接触式激光位移传感器与计算机组成，上述装置的工作状态即试验过程通过高倍显微镜、CCD摄像头与计算机结合进行微观观察。
本实用新型与现有技术相比具有明显的优势和有益效果：
1、本实用新型使试样处于弯扭的多轴受力环境中，与MEMS典型器件的受力环境相类似，其研究结果具有很高的实用价值。
2、本实用新型的试件加工可以采用传统的标准MEMS加工工艺加工，结构简单、易于加工、经济性好。
3、本装置应用范围广，可对多晶硅、单晶硅、铜、铝等常见MEMS材料的弯扭疲劳特性进行研究。
附图说明
图1基于超磁致伸缩原理的微结构弯扭疲劳试验装置试件的正面示意图
图2基于超磁致伸缩原理的微结构弯扭疲劳试验装置试件局部放大图
图3基于超磁致伸缩原理的微结构弯扭疲劳试验装置试件的B-B剖面示图
图4基于超磁致伸缩原理的微结构弯扭疲劳试验装置试件的三维示图
图5试验装置系统示意图
图中：1、基底，2、试样，3、负超磁致伸缩薄膜，4、基片，5、正超磁致伸缩薄膜。
具体实施方式
下面结合附图1～5对本实用新型的具体实施例加以说明：
本实施例中的试件100，是基于超磁致伸缩原理的微结构弯扭疲劳试验装置，其结构示意图参见图1、图2，图1为其正面全局图，图2为其正面主要结构部分的局部放大图。
从图3中可以看出超磁致复合层伸缩薄膜的结构，分为三层，中间一层为聚酰亚胺基片4，上下分别镀有5μm厚度的负超磁致材料SmFe2和正超磁致材料Terfenol-D，超磁致复合层薄膜的一端固定在基底1里构成悬臂梁结构，另一端与“T”型疲劳试样2中间的一端相连，试样2中间的一端插入聚酰亚胺基片4中并与其固定，“T”试样2另两端分别固定在基底1上，超磁致复合层薄膜和试验2通过其固定在基底1上的三端的支撑而悬空，并且固定在基底1上的两端在侧面上相对于中间的梁对称引入缺口。试样2和复合层薄膜及基底1通过磁控溅射方法加工为一体性结构。
如图1所示，其中的1为基底，尺寸达到毫米级，便于夹持和对中，并对超磁致薄膜3、4、5和疲劳试样2起固定和保护的作用。疲劳试样2的与其中间的梁相垂直的两端构成的微梁长100μm，宽20μm，固定于基底1的两端根部相对于中间的梁对称开有缺口，缺口宽度均为10μm，使试验2对称引入应力集中，加大试样2所受的应力水平。3、4、5为超磁致复合层薄膜，厚度分别为5μm、15μm、5μm，宽均为50μm。
本实施例对试件100进行微机械疲劳特性试验，试验方案如图5所示。主要由试件100、微结构弯扭疲劳试验装置工作台300、赫姆霍兹线圈200、交流驱动电源及电流信号检测装置400，以及与计算机相连的非接触式激光位移传感器组成。
其中，微结构弯扭疲劳试验装置工作台300包括高精度移动平台、夹持件以及高倍显微镜和设在该显微镜上的CCD摄像机。
试件100在磁场中的位置通过工作台进行微调整。试件100由夹持件固定，调整移动平台使试件对中线与赫姆霍兹线圈200轴线重合，即使超磁致伸缩薄膜处在线圈轴线上。试样100上方放有高倍显微镜，显微镜上方装有CCD摄像机，用于观测试样的振幅及试验的进行情况。交流驱动电源给出正弦交流信号。使用非接触式激光位移传感器检测试样振幅，通过非接触式激光位移传感器检测试样的振幅，并由计算机进行记录和处理，根据该振动幅度即可用有限元方法算出试样缺口部分所受的应力。试验过程还通过显微镜和CCD摄像头进行实时观察和记录。
试验中，当带铁心的赫姆霍兹线圈中通以交变电流时，将产生周期性变化的磁场，外磁场对超磁致材料磁化状态的改变将导致超磁致伸缩薄膜发生磁致伸缩，从而带动基片4偏转产生驱动力。该驱动力将对试样2产生扭矩和弯矩，造成试样发生多轴疲劳损伤直至断裂。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型而并非限制本实用新型所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本实用新型已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本实用新型进行修改或等同替换；而一切不脱离实用新型的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
Claims (2)
1、基于超磁致伸缩原理的微结构弯扭疲劳试验装置，其特征在于：主要包括有基底(1)、超磁致复合层伸缩薄膜和“T”型试样(2)，超磁致复合层伸缩薄膜分为三层，中间一层为基片(4)，在基片(4)的上下分别镀有负超磁致伸缩薄膜(3)和正超磁致伸缩薄膜(5)；其中，在基底(1)的中心有一凹槽，超磁致复合层伸缩薄膜设置在该凹槽内，其一端固定在基底(1)上构成悬臂梁，另一端与“T”型试样(2)中间的一端固定连接，“T”型试样(2)的另两端分别固定在基底(1)上。
2、根据权利要求1所述的基于超磁致伸缩原理的微结构弯扭疲劳试验装置，其特征在于：所述的试样(2)固定在基底1上的两端相对于中间端对称的开有缺口。
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