CN2412212Y - 微机械力学性能测试仪 - Google Patents

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蒋庄德
王海容
赵则祥
王朝晖
陈伟
伊燕玲
赵玉龙
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Abstract

一种微机械力学性能测试仪,由压头卡具、真空装夹机构、Z向驱动装置、激光器、X/Y工作台、电容测微仪、CCD摄像机等组成,薄膜、MEMS器件、各种微机械小器件的力学性能测试,对不同尺度、下体积材料和微小构件力学性能进行研究。

Description

微机械力学性能测试仪
本实用新型涉及一种精密测量仪器，特别涉及一种微机械力学性能测试仪。
对于微小构件力学性能的测试，目前国内外已经发展了一些方法和测试仪器，如用振动技术测量一个板的残余应力，用静电驱动的试验装置测量微机电系统的材料性能(如杨氏模量、残余应力)，硅微机电系统的临界裂纹生长的试验，用悬臂梁和薄膜扩管试验方法测量薄膜的机械性能(如杨氏模量、断裂强度)。我们也进行了一些微机械的力学性能研究：用电磁加载的微冲击试验台进行断裂韧性和疲劳强度的测试，用固有频率测微悬臂梁的杨氏模量和内应力。除此之外，日本的一些研究单位通过小型拉伸机进行弹性模量的测试，Sharp等人开发了一种小型拉伸机(测量泊松比)。总之，从已报道的文献看，还没有真正的微小构件力学性能测试仪，大多是测量方法的探讨，还没有形成完整的仪器。有些虽然形成了仪器，但其功能较少，且没有考虑微小构件的结构对测量结果的影响。一些测试实验设计巧妙，但却把大多数的精力集中在微测试构件的制造之上，例如上面提到日本研制的小体积材料性能测试机，通过专门的工艺制造微小试件，试件两端粘结在拉伸机的卡具上，通过拉伸实验得到杨氏模量、泊松比、屈服极限、硬化指数等。这些测试方法可以得到一些构件的力学性能，但试件制造较麻烦，且由于尺寸、工艺的影响，其测试性能和实际构件的实用性能不完全一致。由于微小构件尺寸很小，拉伸时很难夹持，目前，国内一些单位研制的亚微米压入仪存在瞄准、分辨率、热漂等问题阻碍了它的推广，因此，还没有真正意义的纳米压入设备，更没有专门针对MEMS器件和小体积材料的专用材料性能测试设备。
本实用新型的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提出一种可适于各种材料的微机械力学性能测试仪，本测试仪能够进行包括薄膜、MEMS器件、各种微机械小器件的力学性能测试，对不同尺度、小体积材料和微小构件力学性能进行研究。
本实用新型通过探头压入得到载荷---位移曲线，进而分析得到微构件的各种力学性能，还采用了压头的振动得到微构件材料的疲劳强度，克服了传统方法对构件的苛刻要求，具有较大的适用性。
本实用新型包括压头卡具、真空装夹机构、Z向驱动装置、激光器、X/Y工作台、电容测微仪、CCD摄像机等。
附图1是本实用新型的结构原理图。
附图2A是本实用新型真空装夹机构的俯视图。
附图2b是本实用新型真空装夹机构的结构图。
下面结合附图对本实用新型的结构原理和工作原理做进一步说明。
参见图1，本实用新型包括一底座7，在底座7上连接有倒U形支架6和Z向驱动装置5，Z向驱动装置5上固定一X/Y工作台4，工作台4内配置一力传感器3用于检测压入力，X/Y工作台4上部装有采用阻尼孔和真空腔完成微构件固定的真空装夹机构10(参见图2)。真空装夹机构10包括上端盖16，上端盖16上开有与腔体18相通的阻尼孔15，上端盖16、下端盖18与腔体17均通过螺纹连接，试件14平放在阻尼孔15之上。在倒U形支架6内上部装有采用压电陶瓷-柔性铰链加载机构组成的进给装置11，在进给装置11的输出端连接压头卡具1，压头卡具1上固定有装点压头12，在压头12靠近压入位置固定一平板13；电容测微仪8的两极板，一端固定在平板13上，另一端固定在进给装置11的静止部分，在倒U形支架6的一内侧固定一CCD摄像机9，CCD摄像机9配置有较大景深的显微镜头，进给装置11的静止部分、压头卡具1的侧面紧固一激光器2，使射出光线正射在压头12的尖端。
本实用新型的工作过程是：
1、Z向驱动装置5在步进电机的驱动下开始进给，当进给至距压头10μM左右时停止；
2、这时进给装置11开始以10μM/SHP逼近装在真空装夹机构10内的微构件试件，真空装卡机构利用阻尼孔15吸附试件14，当连续抽真空时，腔体17内呈负压，而表面的未装卡试件14的孔成了阻尼孔，孔两端的压差取决于通过孔的气体流量，控制保持腔体17内的压力达到已衡值，从而可以把试件14紧紧固定在上端盖16上，直到力传感器3得到输出信号停止；
3、然后进给装置11继续加载，力传感器3记录力和位移输出值，以此得到载位移曲线；
4、Z向驱动装置5动作，驱动装在真空装夹机构10内的微构件试件远离压头；
5、CCD摄像机9记录压入形貌，并输入到计算机。
通过加载头加载可得到位移载荷曲线、保载曲线。根据上述曲线，通过理论分析可以得到以下的参数：
(1)弹性模量和硬度
(2)塑性性能：屈服强度，硬化指数，蠕变
(3)断裂韧性
对于脆性材料，通过压痕裂缝的分析可得到材料的断裂性能。
通过用球加载头对微构件进行冲击加载、微循环载荷的冲击加载，得到微构件的疲劳强度和冲击后的形貌。
(1)用球加载头对微构件进行冲击并同步拾取位移和力信号，通过分析可得到断裂韧性，用光学显微镜CCD系统观察冲击后的微构件形貌。
(2)通过对微构件进行微循环冲击加载并由计算机计数，可得到微构件的疲劳强度。
用压电陶瓷---柔性铰链加载机构对试件表面加载，微电容测微仪测压入深度。
通过在工作台上加一些附件(包括装夹附件、振动传感器等)，可对微机电系统进行振动试验。
采用纳米压入仪和计量型原子力显微镜等标定位移和力传感器。
理论分析包括对微构件的力学性能进行建模、计算和分析，冲击裂纹的分析与计算。建立、积累微机械力学性能库。
本实用新型与背景技术比较，具有以下效果：
1、价格低廉。测试仪的研制价格在40万元左右，批量生产，成本还可以降低。而国外产品，NANOINDENTER-2价格在28多万美元，MTS生产的压入设备NANOINDENTER XP价格更高。
2、性能能够满足MEMS器件材料力学性能的研究。本测试仪主要性能指标是位移范围为1000μm，位移分辨率10nm，最大载荷200N，力分辨率100nN，基本能够满足MEMS器件的材料力学性能测试。NanoIndenter XP的主要性能指标：位移分辨率小于0.02nm，压入深度500μm，最大载荷500mN，力分辨率50nN，它主要用于各种薄膜，超薄膜的力学性能测试，可以用MEMS器件的性能测试。
3、本测试仪主要针对各种MEMS构件力学性能的测试，考虑了各种微构件的装夹，定位问题，通过真空装夹机构，专用导轨等附件完成微构件的测试，这是目前MTS公司所没有考虑的。
4、本测试仪实现试件的自动测试。软件模块分析作为必要部分，NanoIndenter XP也是自动操作，其载荷---位移曲线分析软件是作为商品单独出售。

Claims (4)

1、微机械力学性能测试仪，包括一底座(7)，在底座(7)上连接有倒U形支架(6)和Z向驱动装置(5)，其特征在于，所说的Z向驱动装置(5)上固定一X/Y工作台(4)，工作台(4)内配置一力传感器(3)，X/Y工作台(4)上部装有真空装夹机构(10)，倒U形支架(6)内上部装有进给装置(11)，在进给装置(11)的输出端连接压头卡具(1)，压头卡具(1)上固定有装点压头(12)，在压头(12)靠近压入位置固定一平板(13)，电容测微仪(8)的两极板，一端固定在平板(13)上，另一端固定在进给装置(11)的静止部分。
2、根据权利要求1所述的微机械力学性能测试仪，其特征在于，所说的真空装夹机构(10)包括上端盖(16)，上端盖(16)上开有与腔体(18)相通的阻尼孔(15)，上端盖(16)、下端盖(18)与腔体(17)均通过螺纹连接。
3、根据权利要求1所述的微机械力学性能测试仪，其特征在于，所说的倒U形支架(6)的一内侧固定一CCD摄像机(9)，CCD摄像机(9)配置有较大景深的显微镜头，进给装置(11)的静止部分、压头卡具(1)的侧面紧固一激光器(2)。
4、根据权利要求1所述的微机械力学性能测试仪，其特征在于，所说的进给装置(11)由压电陶瓷一柔性铰链加载机构组成。
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