CN104007014B - 微构件综合力学性能测试装置 - Google Patents

Abstract

微构件综合力学性能测试装置，涉及一种微构件力学性能测试装置。本发明可实现对微米尺度构件的力学性能静态参量测量及疲劳特性的探究。X-Y二维运动平台设置在大理石隔振平台上面，且X-Y二维运动平台的Y向运动平台设置在X向运动平台上面，所述的微拉伸测试***安装在Y向运动平台上面，所述的动态测试***安装在大理石横梁前侧面上，所述的大理石横梁的两端各通过一个所述的大理石立柱支撑，且两个大理石立柱的下端固定在大理石隔振平台上面，所述的原位观测***安装在动态测试***的竖直高精度电移台上。本发明用于微构件综合力学性能测试。

Description

微构件综合力学性能测试装置

技术领域

本发明涉及一种微构件力学性能测试装置。

背景技术

惯导***高弹性合金微构件在地面加载测试中极易断裂失效，惯性传感器中微构件的特征尺寸大致在亚微米到毫米的范围内。当细微到微米/纳米尺度后，由于尺寸效应，微构件材料本身的物理性质及其受环境影响的程度等都会发生很大改变，其力学特性以及所受体积力和表面力的相对关系等也会发生显著的变化。宏观条件下材料的力学性能参数已远远不能满足MEMS***结构的设计要求，而由微小试件带来的一系列等技术问题使得传统的测试方法和装置也已不再适用。

近年来，国内外学者越来越重视微构件材料力学性能的研究，提出了一些新的测试方法和测试装置。但是，各种方法测得的数据分散性较大，甚至连最基础的弹性模量都没有一个一致公认的结果。在微构件设计和进行可靠性分析时，由于缺乏有关微构件材料力学性能的基础数据，目前还没有建立起一个有效的设计准则，导致成品率低，可靠性差，这严重阻碍了MEMS的发展。

微构件的力学性能测试分为静态测试和动态测试两大类。静态特性测试是测量微构件在静止状态的特性参数，常用的方法包括单轴拉伸法、纳米压痕法、鼓膜法、微梁弯曲法和衬底曲率法等。其中，最常用的方法是单轴拉伸法，微拉伸实验是测量微米级材料弹性模量、泊松比、屈服强度和断裂强度最直接的方法，拉伸实验的数据容易解释，测试结果比弯曲实验可靠。动态特性测试则是采用激励装置对器件施加特定激励信号，使器件运动起来，在器件运动过程中，测量处于运动状态的器件的动态特性变化。动态特性决定了微构件的基本性能，可以反映出微构件的材料属性、三维微运动情况、可靠性、机械力学参数、器件失效模式以及失效机理等关键问题。

但是由于试样尺寸微小，无论是在静态测试还是动态测试中，微构件的对中、装夹、微位移驱动以及微小载荷和微位移的测量等一系列技术难题使得传统的测试方法和装置也已不再适用。目前测试装置还没有统一的标准，而且大部分测试装置结构都比较复杂，所需仪器都很昂贵，测试数据分散性很大。如何最大限度的减少测试误差，保证获得精确一致的测试结果，提高测试效率，使测试数据能够迅速加以处理而进行反馈监控或直接应用于生产实践，这些问题对科研人员来说是亟待突破的难关也是挑战。

发明内容

本发明的目的在于针对目前微构件力学性能测试***的缺点与不足，提供一种针对高弹性合金微构件的综合力学性能测试***，实现对微米尺度构件的力学性能静态参量测量及疲劳特性的探究。

本发明解决上述问题采取的技术方案是：

本发明的微构件综合力学性能测试装置，它包括原位观测***、微拉伸测试***、辅助机械***和动态测试***；所述的辅助机械***包括X-Y二维运动平台、大理石隔振平台、大理石横梁和两个大理石立柱，所述的X-Y二维运动平台设置在大理石隔振平台上面，且X-Y二维运动平台的Y向运动平台设置在X向运动平台上面，所述的微拉伸测试***安装在Y向运动平台上面，所述的动态测试***安装在大理石横梁前侧面上，所述的大理石横梁的两端各通过一个所述的大理石立柱支撑，且两个大理石立柱的下端固定在大理石隔振平台上面，所述的原位观测***安装在动态测试***的竖直高精度电移台上。

本发明相对于现有技术的有益效果是：本发明将动态测试与静态测试结合起来，通过动态测试***对微构件的高频疲劳激振，采用半闭环的控制方案实现金刚石压头在竖直方向的位置精确控制，极大的提高了对中的准确性。通过微拉伸测试***对微构件进行原位拉伸测试，在原位观测***的辅助下，实现动静载物台的对中，微构件加持可靠；采用高精度的力传感器器(精度5mN)，实现载荷的精确测量(精度可达5mN)；采用高精度光栅检测试件的微位移，分辨率高(分辨率为5nm)，便于安装调试。该装置不仅实现静态参量的测量，如弹性模量、屈服强度、断裂强度的测量，而且还能实现对高频疲劳特性的探究，如疲劳强度。

附图说明

图1是本发明的微构件综合力学性能测试装置的测试原理示意图，图中↓箭头所示方向为交变载荷方向，←→箭头所示方向为拉伸载荷方向；

图2是本发明的微构件综合力学性能测试装置总体装配图；

图3是图1中的微拉伸***装配图；

图4是图3中的微拉伸***的水平精密驱动单元装配图；

图5是图3的A处局部放大图；

图6是图1中的动态测试***的竖直精密驱动单元装配图；

图7是图1的B处局部放大图。

上述图中涉及到的部件名称及标号分别为：

原位观测***1、CCD相机1-1、夹具1-2、变倍缩放镜头1-3、微拉伸测试***2、水平精密驱动单元2-1、第一柔性铰链机构2-1-1、第一预紧螺钉2-1-2、第一压电陶瓷2-1-3、第一垫片2-1-4、钢珠2-1-5、第一安装孔2-1-6、微力传感器2-2、水平直线光栅测量装置2-3、光栅尺读数头安装架2-3-1、读数头2-3-2、光栅尺2-3-3、水平高精度电移台2-4、左载物平台2-4-1、右载物平台2-4-2、丝杠螺母副2-4-3、L形底座2-4-4、支撑座2-4-5、步进电机2-4-6、左滑块2-4-7、右滑块2-4-8、导轨2-4-9、水平载物台2-5、动载物台2-5-1、静载物台2-5-2、力传感器固定块2-6、固定件2-7、辅助机械***3、Y向运动平台3-1、X向运动平台3-2、大理石隔振平台3-3、大理石立柱3-4、大理石横梁3-5、动态测试***4、竖直高精度电移台4-1、竖直精密驱动单元4-2、第二预紧螺钉4-2-1、第二柔性铰链机构4-2-2、第二安装孔4-2-3、竖直直线光栅测量装置4-2-4、金刚石压头4-2-5、第二压电陶瓷4-2-6、第二垫片4-2-7、微构件5。

具体实施方式

具体实施方式一：如图2、图7所示，微构件综合力学性能测试装置，它包括原位观测***1、微拉伸测试***2、辅助机械***3和动态测试***4；所述的辅助机械***3包括X-Y二维运动平台、大理石隔振平台3-3、大理石横梁3-5和两个大理石立柱3-4，所述的X-Y二维运动平台设置在大理石隔振平台3-3上面，且X-Y二维运动平台的Y向运动平台3-1设置在X向运动平台3-2上面，所述的微拉伸测试***2安装在Y向运动平台3-1上面，所述的动态测试***4安装在大理石横梁3-5前侧面上，所述的大理石横梁3-5的两端各通过一个所述的大理石立柱3-4支撑，且两个大理石立柱3-4的下端固定在大理石隔振平台3-3上面，所述的原位观测***1安装在动态测试***4的竖直高精度电移台4-1上。

具体实施方式二：如图2、图3及图5所示，具体实施方式一所述的微构件综合力学性能测试装置，所述的微拉伸测试***2包括水平精密驱动单元2-1、微力传感器2-2、水平直线光栅测量装置2-3、水平高精度电移台2-4、水平载物台2-5、力传感器固定块2-6、两个固定件2-7，所述的水平高精度电移台2-4包括左载物平台2-4-1、右载物平台2-4-2、丝杠螺母副2-4-3、L形底座2-4-4、支撑座2-4-5、步进电机2-4-6、四个左滑块2-4-7、四个右滑块2-4-8、两根导轨2-4-9，所述的水平载物台2-5包括动载物台2-5-1和静载物台2-5-2，所述的水平直线光栅测量装置2-3包括光栅尺读数头安装架2-3-1、读数头2-3-2和光栅尺2-3-3，

所述的L形底座2-4-4的长板水平且沿X向设置，所述的两根导轨2-4-9平行于L形底座2-4-4的长边并固定在L形底座2-4-4的长板上；所述的左载物平台2-4-1和右载物平台2-4-2左右并列设置，所述的水平精密驱动单元2-1固定在右载物平台2-4-2上表面，所述的动载物台2-5-1与水平精密驱动单元2-1的左侧面固定连接，所述的静载物台2-5-2与动载物台2-5-1相邻且相对应设置，静载物台2-5-2与动载物台2-5-1的上表面对应位置分别加工有一用于固定微构件5的定位槽，利用微细铣削技术，加工出定位槽；所述的静载物台2-5-2、微力传感器2-2及力传感器固定块2-6由右至左依次设置在左载物平台2-4-1的上表面，且静载物台2-5-2与微力传感器2-2固定连接，微力传感器2-2与力传感器固定块2-6固定连接，力传感器固定块2-6与左载物平台2-4-1的上表面固定连接，所述的光栅尺2-3-3安装在水平精密驱动单元2-1的前侧面或后侧面上，右载物平台2-4-2上与光栅尺2-3-3位于同侧的侧面上固定有光栅尺读数头安装架2-3-1，所述的读数头2-3-2与光栅尺2-3-3相对设置并固定在光栅尺读数头安装架2-3-1上；所述的右载物平台2-4-2的下表面与丝杠螺母副2-4-3的螺母固定连接，丝杠螺母副2-4-3的丝杠一端与支撑座2-4-5转动连接，丝杠螺母副2-4-3的丝杠另一端与L形底座2-4-4的短板转动连接，支撑座2-4-5与L形底座2-4-4的长板固定连接，右载物平台2-4-2的下表面与呈矩形设置的四个右滑块2-4-8固定连接，四个右滑块2-4-8与两根导轨2-4-9滑动连接，进行导向，所述的步进电机2-4-6固定于L形底座2-4-4的短板上，步进电机2-4-6驱动丝杠螺母副2-4-3运动；左载物平台2-4-1的下表面与呈矩形设置的四个左滑块2-4-7固定连接，四个左滑块2-4-7设置在两根导轨2-4-9上，设置在同一根导轨2-4-9上的两个左滑块2-4-7之间安装有一与导轨2-4-9固定连接的固定件2-7，工作中左载物平台2-4-1相对导轨2-4-9固定不动，右载物平台2-4-2相对导轨2-4-9进行运动。所述的微力传感器2-2为商用传感器，微力传感器2-2型号是GSO-1000-T。水平精密驱动单元2-1不仅可以实现简单拉伸位移的驱动，而且可以实现微构件的一定频率的疲劳加载。

具体实施方式三：如图3、图4所示，具体实施方式二所述的微构件综合力学性能测试装置，所述的水平精密驱动单元2-1包括第一柔性铰链机构2-1-1、第一预紧螺钉2-1-2、第一压电陶瓷2-1-3、两个第一垫片2-1-4、两个钢珠2-1-5、三个第一安装孔2-1-6，所述的第一柔性铰链机构2-1-1中部设有第一凹槽，所述的第一压电陶瓷2-1-3设置于第一柔性铰链机构2-1-1的第一凹槽内，第一压电陶瓷2-1-3两端分别通过钢珠2-1-5、第一垫片2-1-4与第一柔性铰链机构2-1-1的第一凹槽内壁相接触，第一柔性铰链机构2-1-1上设有三个用于与右载物平台2-4-2固定连接的第一安装孔2-1-6，第一柔性铰链机构2-1-1的右端面加工有第一螺纹孔，所述的第一预紧螺钉2-1-2与第一柔性铰链机构2-1-1的第一螺纹孔螺纹连接，第一预紧螺钉2-1-2通过第一垫片2-1-4及钢珠2-1-5预压紧第一压电陶瓷2-1-3。

具体实施方式四：如图2所示，具体实施方式二所述的微构件综合力学性能测试装置，所述的动态测试***4包括竖直高精度电移台4-1和竖直精密驱动单元4-2，所述的竖直精密驱动单元4-2安装在竖直高精度电移台4-1的载物台上。竖直高精度电移台4-1为外购部件，型号为卓立汉光KSA050-13-X。

具体实施方式五：如图2、图3及图6所示，具体实施方式四所述的微构件综合力学性能测试装置，所述的竖直精密驱动单元4-2包括第二预紧螺钉4-2-1、第二柔性铰链机构4-2-2、竖直直线光栅测量装置4-2-4、金刚石压头4-2-5、第二压电陶瓷4-2-6、两个第二垫片4-2-7、多个第二安装孔4-2-3；所述的第二柔性铰链机构4-2-2中部设有第二凹槽，所述的第二压电陶瓷4-2-6设置于第二柔性铰链机构4-2-2的第二凹槽内，第二压电陶瓷4-2-6两端各安装一个第二垫片4-2-7，第二柔性铰链机构4-2-2的上端面加工有第二螺纹孔，所述的第二预紧螺钉4-2-1与第二柔性铰链机构4-2-2的第二螺纹孔螺纹连接，第二压电陶瓷4-2-6通过第二预紧螺钉4-2-1进行预紧，所述的竖直直线光栅测量装置4-2-4安装在第二柔性铰链机构4-2-2的正面，第二柔性铰链机构4-2-2的下端面安装有金刚石压头4-2-5，金刚石压头4-2-5的头端竖直并朝下设置，工作时，金刚石压头4-2-5的头端与所述的微构件5上表面接触；所述的第二柔性铰链机构4-2-2上设有用于与所述的竖直高精度电移台4-1的载物台固定连接的多个第二安装孔4-2-3，第二安装孔4-2-3内穿入螺钉，通过螺钉与竖直高精度电移台4-1的载物台固定连接。金刚石压头4-2-5的对中及原位观测是原位观测***1通过X-Y二维运动平台和动态测试***4的竖直高精度电移台4-1的配合运动实现的。竖直直线光栅测量装置4-2-4与水平直线光栅测量装置2-3结构相同，竖直直线光栅测量装置4-2-4中的各构件的安装位置根据需要确定，为现有技术。

具体实施方式六：如图2所示，具体实施方式一所述的微构件综合力学性能测试装置，所述的原位观测***1包括CCD相机1-1、夹具1-2和变倍缩放镜头1-3，所述的CCD相机1-1与变倍缩放镜头1-3由上至下设置且连接在一起，CCD相机1-1与变倍缩放镜头1-3整体通过夹具1-2竖直安装在动态测试***4的竖直高精度电移台4-1的载物台上。

下面具体结合图1～图7具体说明：本整套微构件综合力学性能测试装置放置在大理石隔振平台上，实验室环境洁净、恒温。首先打开控制***总电源，压电陶瓷控制电源预热30分钟。再利用图像采集***的辅助，调整动、静载物台的位置，使其标记中心重合。然后，用镊子将微细铣削工艺加工的微构件取出，用胶粘在动、静载物台的定位槽中。

动态测试前，标定好样件(微构件)中心与CCD相机视场中心刻线的位置，通过X-Y二维运动平台运动，使金刚石压头与样件中心在X-Y方向重合，再利用动态测试***的竖直高精度电移台在竖直方向上执行大行程的进给，当金刚石压头接近目标位置时，利用压电陶瓷进行微进给。当微力传感器有电压信号输出时，说明金刚石压头刚接触到样件上表面，此时立即停止微进给，竖直方向进给完成。通过测试软件对压电陶瓷驱动电源进行控制，竖直精密驱动单元带动金刚石压头对样件进行高频载荷的激励，测试过程中力信号及电信号分别通过微力传感器和水平直线光栅测量装置进行实时检测。疲劳循环达到预定周次的时候，动态测试完成。再通过X-Y二维运动平台及动态测试***的竖直高精度电移台，将CCD相机视场中心刻线与样件中心重合，在原位观测***的辅助下进行微拉伸测试。利用压电陶瓷驱动器控制微拉伸测试***的水平精密驱动单元，对样件进行拉伸，直至样件拉断。记录测试数据并进行数据处理。最后用丙酮溶液浸润被拉断的样件，5分钟后用镊子将样件取下。测试过程结束。

本发明的微构件综合力学性能测试装置对微构件直接进行微拉伸测试，测量试件的静态力学性能。

Claims (6)

1.一种微构件综合力学性能测试装置，其特征是：它包括原位观测***(1)、微拉伸测试***(2)、辅助机械***(3)和动态测试***(4)；所述的辅助机械***(3)包括X-Y二维运动平台、大理石隔振平台(3-3)、大理石横梁(3-5)和两个大理石立柱(3-4)，所述的X-Y二维运动平台设置在大理石隔振平台(3-3)上面，且X-Y二维运动平台的Y向运动平台(3-1)设置在X向运动平台(3-2)上面，所述的微拉伸测试***(2)安装在Y向运动平台(3-1)上面，所述的动态测试***(4)安装在大理石横梁(3-5)前侧面上，所述的大理石横梁(3-5)的两端各通过一个所述的大理石立柱(3-4)支撑，且两个大理石立柱(3-4)的下端固定在大理石隔振平台(3-3)上面，所述的原位观测***(1)安装在动态测试***(4)的竖直高精度电移台(4-1)上。

2.根据权利要求1所述的微构件综合力学性能测试装置，其特征是：所述的微拉伸测试***(2)包括水平精密驱动单元(2-1)、微力传感器(2-2)、水平直线光栅测量装置(2-3)、水平高精度电移台(2-4)、水平载物台(2-5)、力传感器固定块(2-6)、两个固定件(2-7)，所述的水平高精度电移台(2-4)包括左载物平台(2-4-1)、右载物平台(2-4-2)、丝杠螺母副(2-4-3)、L形底座(2-4-4)、支撑座(2-4-5)、步进电机(2-4-6)、四个左滑块(2-4-7)、四个右滑块(2-4-8)、两根导轨(2-4-9)，所述的水平载物台(2-5)包括动载物台(2-5-1)和静载物台(2-5-2)，所述的水平直线光栅测量装置(2-3)包括光栅尺读数头安装架(2-3-1)、读数头(2-3-2)和光栅尺(2-3-3)，所述的L形底座(2-4-4)的长板水平且沿X向设置，所述的两根导轨(2-4-9)平行于L形底座(2-4-4)的长边并固定在L形底座(2-4-4)的长板上；所述的左载物平台(2-4-1)和右载物平台(2-4-2)左右并列设置，所述的水平精密驱动单元(2-1)固定在右载物平台(2-4-2)上表面，所述的动载物台(2-5-1)与水平精密驱动单元(2-1)的左侧面固定连接，所述的静载物台(2-5-2)与动载物台(2-5-1)相邻且相对应设置，静载物台(2-5-2)与动载物台(2-5-1)的上表面对应位置分别加工有一用于固定微构件(5)的定位槽；所述的静载物台(2-5-2)、微力传感器(2-2)及力传感器固定块(2-6)由右至左依次设置在左载物平台(2-4-1)的上表面，且静载物台(2-5-2)与微力传感器(2-2)固定连接，微力传感器(2-2)与力传感器固定块(2-6)固定连接，力传感器固定块(2-6)与左载物平台(2-4-1)的上表面固定连接，所述的光栅尺(2-3-3)安装在水平精密驱动单元(2-1)的前侧面或后侧面上，右载物平台(2-4-2)上与光栅尺(2-3-3)位于同侧的侧面上固定有光栅尺读数头安装架(2-3-1)，所述的读数头(2-3-2)与光栅尺(2-3-3)相对设置并固定在光栅尺读数头安装架(2-3-1)上；所述的右载物平台(2-4-2)的下表面与丝杠螺母副(2-4-3)的螺母固定连接，丝杠螺母副(2-4-3)的丝杠一端与支撑座(2-4-5)转动连接，丝杠螺母副(2-4-3)的丝杠另一端与L形底座(2-4-4)的短板转动连接，支撑座(2-4-5)与L形底座(2-4-4)的长板固定连接，右载物平台(2-4-2)的下表面与呈矩形设置的四个右滑块(2-4-8)固定连接，四个右滑块(2-4-8)与两根导轨(2-4-9)滑动连接，所述的步进电机(2-4-6)固定于L形底座(2-4-4)的短板上，步进电机(2-4-6)驱动丝杠螺母副(2-4-3)运动；左载物平台(2-4-1)的下表面与呈矩形设置的四个左滑块(2-4-7)固定连接，四个左滑块(2-4-7)设置在两根导轨(2-4-9)上，设置在同一根导轨(2-4-9)上的两个左滑块(2-4-7)之间安装有一与导轨(2-4-9)固定连接的固定件(2-7)，工作中左载物平台(2-4-1)相对导轨(2-4-9)固定不动，右载物平台(2-4-2)相对导轨(2-4-9)进行运动。

3.根据权利要求2所述的微构件综合力学性能测试装置，其特征是：所述的水平精密驱动单元(2-1)包括第一柔性铰链机构(2-1-1)、第一预紧螺钉(2-1-2)、第一压电陶瓷(2-1-3)、两个第一垫片(2-1-4)、两个钢珠(2-1-5)、三个第一安装孔(2-1-6)，所述的第一柔性铰链机构(2-1-1)中部设有第一凹槽，所述的第一压电陶瓷(2-1-3)设置于第一柔性铰链机构(2-1-1)的第一凹槽内，第一压电陶瓷(2-1-3)两端分别通过钢珠(2-1-5)、第一垫片(2-1-4)与第一柔性铰链机构(2-1-1)的第一凹槽内壁相接触，第一柔性铰链机构(2-1-1)上设有三个用于与右载物平台(2-4-2)固定连接的第一安装孔(2-1-6)，第一柔性铰链机构(2-1-1)的右端面加工有第一螺纹孔，所述的第一预紧螺钉(2-1-2)与第一柔性铰链机构(2-1-1)的第一螺纹孔螺纹连接，第一预紧螺钉(2-1-2)通过第一垫片(2-1-4)及钢珠(2-1-5)预压紧第一压电陶瓷(2-1-3)。

4.根据权利要求2所述的微构件综合力学性能测试装置，其特征是：所述的动态测试***(4)包括竖直高精度电移台(4-1)和竖直精密驱动单元(4-2)，所述的竖直精密驱动单元(4-2)安装在竖直高精度电移台(4-1)的载物台上。

5.根据权利要求4所述的微构件综合力学性能测试装置，其特征是：所述的竖直精密驱动单元(4-2)包括第二预紧螺钉(4-2-1)、第二柔性铰链机构(4-2-2)、竖直直线光栅测量装置(4-2-4)、金刚石压头(4-2-5)、第二压电陶瓷(4-2-6)、两个第二垫片(4-2-7)、多个第二安装孔(4-2-3)；

所述的第二柔性铰链机构(4-2-2)中部设有第二凹槽，所述的第二压电陶瓷(4-2-6)设置于第二柔性铰链机构(4-2-2)的第二凹槽内，第二压电陶瓷(4-2-6)两端各安装一个第二垫片(4-2-7)，第二柔性铰链机构(4-2-2)的上端面加工有第二螺纹孔，所述的第二预紧螺钉(4-2-1)与第二柔性铰链机构(4-2-2)的第二螺纹孔螺纹连接，第二压电陶瓷(4-2-6)通过第二预紧螺钉(4-2-1)进行预紧，所述的竖直直线光栅测量装置(4-2-4)安装在第二柔性铰链机构(4-2-2)的正面，第二柔性铰链机构(4-2-2)的下端面安装有金刚石压头(4-2-5)，金刚石压头(4-2-5)的头端竖直并朝下设置，工作时，金刚石压头(4-2-5)的头端与所述的微构件(5)上表面接触；所述的第二柔性铰链机构(4-2-2)上设有用于与所述的竖直高精度电移台(4-1)的载物台固定连接的多个第二安装孔(4-2-3)。

6.根据权利要求1所述的微构件综合力学性能测试装置，其特征是：所述的原位观测***(1)包括CCD相机(1-1)、夹具(1-2)和变倍缩放镜头(1-3)，所述的CCD相机(1-1)与变倍缩放镜头(1-3)由上至下设置且连接在一起，CCD相机(1-1)与变倍缩放镜头(1-3)整体通过夹具(1-2)竖直安装在动态测试***(4)的竖直高精度电移台(4-1)的载物台上。