CN203287264U - 一种微结构力学性能片外弯曲测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型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、试样安装调整部分、驱动部分、载荷检测部分、位移检测部分和放大观测部分。本实用新型具有调整方便，结构简单，力、位移信号采集准确，能够对微结构进行弯曲强度和疲劳特性测试，经测量误差、分辨率、整体接合刚度、抗扰动性能等方面的可用性分析和实验测试，该装置能够很好地满足科研要求。

Description

一种微结构力学性能片外弯曲测试装置

技术领域

本实用新型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。 

实用新型内容

本实用新型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。 

实现本实用新型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、试样安装调整部分、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，所述试样安装调整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与试样安装调整部分对应，载荷检测部分包括顶针、微力传感器及抗振固定块，微力传感器固定在抗振固定块上，顶针固定在致动器上与微力传感器对应；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安装调整部分；所述试样安装调整部分由中央设通孔的载物台和压片组成，载物台固定在力传感器上，力传感器固定在抗振固定块上，压片一侧由固定在载物台上，另一侧用于压紧试样。

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安装调整部分载物台上的通孔。 

本实用新型的效果是可以通过使用闭环控制对驱动部分进行控制，对试样进行高精度加载，使其有效承受弯曲应力和循环变应力；通过三维移动平台和试样安装调整部分对试样安装进行调整，使试样夹持和顶针对中方便可靠，精度高；采用显微镜和CCD摄像头实现对中校验和对试样表面形貌变化进行图像采集；通过高精度位移传感器、隔振底座和简单的连接件实现传感器数据的准确测量。整套实验装置调整方便，结构简单，力、位移信号采集准确，能够对微结构进行弯曲强度和疲劳特性测试，经测量误差、分辨率、整体接合刚度、抗扰动性能等方面的可用性分析和实验测试，该装置能够很好地满足科研要求。 

下面结合附图进一步说明本实用新型的技术方案。 

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。 

图2是本实用新型中的试样安装调整部分示意图。 

图3是试样安装示意图。 

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17、隔振底座18、试样安装调整部分、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18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27固定在隔振底座18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； 

所述抗振固定块17通过螺钉16设在隔振底座18的另一侧，所述试样安装调整部分设在抗振固定块17上；试样安装调整部分由中央设通孔30的载物台14和压片15组成，载物台14通过四个内六角螺钉13固定在力传感器12上，压片15一侧由螺钉13固定在载物台14上，另一侧用于压紧试样31； 

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25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25的底部开有内螺纹孔，垂直位移台1c上的载物块29的中心开有内螺纹孔，两者通过螺杆固连，致动器25由固定架4支撑固定，致动器25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安装调整部分对应，所述载荷检测部分包括顶针26、微力传感器12及抗振固定块17，微力传感器12底部钻有四个螺纹孔，由四个螺钉从背后固定在抗振固定块17上，顶针26通过螺纹连接固定在致动器25上与微力传感器12对应，微力传感器12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20及位移传感器感应块19；所述位移传感器感应块19设在抗振固定块17上，位移传感器感应块19的底部开有三个标准螺纹孔，由三个螺钉贯穿抗振固定块17从其背后固定在抗振固定块17上；位移传感器20通过位移传感器连接件22固定在致动器25上，位移传感器20中部是标准外螺纹，通过两个螺母21与位移传感器连接件22连接，位移传感器连接件22由螺母紧固在封装的致动器25的探头上，位移检测传感器20可采用涡流传感器、电感式传感器等；

所述放大观测部分设在隔振底座18上对准试样安装调整部分，所述放大观测部分包括CCD摄像机9、显微镜11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18上的竖杆28、沿竖杆28运动的横杆8、沿横杆8运动且绕横杆8转动的支杆10，横杆8和支杆10之间通过螺钉6和螺母7连接并紧固，CCD摄像机9的下端与显微镜11的目镜上端通过标准螺纹孔相连，显微镜11固定在支杆10上并对准试样安装调整部分上的载物台14上的通孔30，竖杆28的基座23通过两个螺钉24与抗振底座18连接。

本实用新型使用时，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、力传感器的静态特性，调整实验中用到的各种仪器设备为正常工作状态，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31时，首先将试样31粘贴在载物台14上，由压片15的一侧压紧，并由螺钉13固定压片15，通过微调螺钉13、压片15和试样31，使试样的测试部分基本正对载物台14中央的通孔30，再借助CCD摄像机9、显微镜11和三自由度运动支架组成的放大观测部分，确认试样的测试部分悬空，试样31的外框架均匀接触载物台14，再调整三维位移台，使顶针26与试样31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，由封装的致动器结构25及固定架4组成的驱动部分在驱动电源的作用下向试样31施加缓慢单调增加或循环变化的位移载荷。由力传感器12及抗振固定块17组成的载荷检测部分测量试样31在加载过程中的受力，由位移传感器20、位移传感器连接件22及位移传感器感应块19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9、显微镜11和三自由度运动支架组成的放大观测部分检测试样31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31是否发生断裂。 

测试结束后，卸载，取下试样31以作进一步分析。 

Claims (5)

1.一种微结构力学性能片外弯曲测试装置，其特征是包括三维移动平台、抗振固定块、隔振底座、试样安装调整部分、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，所述试样安装调整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与试样安装调整部分对应，载荷检测部分包括顶针、微力传感器及抗振固定块，微力传感器固定在抗振固定块上，顶针固定在致动器上与微力传感器对应；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安装调整部分；所述试样安装调整部分由中央设通孔的载物台和压片组成，载物台固定在力传感器上，力传感器固定在抗振固定块上，压片一侧由固定在载物台上，另一侧用于压紧试样。

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。

3.根据权利要求1或2所述的微结构力学性能片外弯曲测试装置，其特征是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。

4.根据权利要求3所述的微结构力学性能片外弯曲测试装置，其特征是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。

5.根据权利要求4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安装调整部分载物台上的通孔。

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