[实用新型]微机械力学性能测试仪

说明书

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