專利名稱：納米級微拉伸裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種微拉伸裝置。
技術背景
微機械電子系統(MEMQ是集微型機構、微型傳感器、微型執行器、信號處理和控制電路以及接口、通訊電路和電源等于一體，可以完成信息獲取，處理，控制及執行功能的集成微系統。由于MEMS具有可批量生產、外形尺寸小、集成度高、成本低，可靠性高和功能性好等優點，使得其在微加速度傳感器、微慣性與壓力傳感器、微型噴氣發動機、大規模數據存儲系統和微型生物化學分析設備等領域獲得了極大的發展。微小的梁結構、桿結構以及微米甚至納米級別的絲結構是MEMS中應用較為廣泛、也是特別關鍵的機械構件。隨著對 MEMS應用的不斷拓展，常規條件下材料力學性能參數的測試已遠不能滿足MEMS系統結構的設計要求。同時，采用計算機模擬的方式所獲得的微構件的力學參數又很難通過實驗的方法進行驗證。因此，研究微位移條件下的微構件的力學特性研究有助于微系統結構設計和功能實現，同時為表征微結構的力學參數、制定MEMS結構標準將提供重要的依據。
在MEMS系統微構件的材料力學性能測試中，拉伸測試主要解決材料彈性模量、泊松比、屈服強度和斷裂強度等力學參數的測試。與其它的測試方法相比，拉伸測試最直接、 最準確。從原理上講，試件的拉伸測試要求分別測量位移和載荷分量，實驗不僅可以得到微構件包括塑性變形在內的拉伸力——應變曲線的全過程，而且樣品在拉伸測試中受到均勻的拉伸應力，能夠全面反映材料的強度特性。實驗數據也非常易于分析說明。現在正日益受到科研人員的重視，是一種比較理想的方法。
當前，微構件的力學特性測試還存在著很多困難，以微構件的微拉伸實驗為例1、 如果試樣的尺寸非常微小，其測試過程要求很高的運動精度和系統分辨率；2、試樣所承受的最大載荷也小，試樣安裝和夾具設計也是個挑戰；3、試樣的對準、校正都非常困難。以上這些困難導致微結構的機械性能數據至今仍很匱乏，這嚴重阻礙了 MEMS技術的發展和推廣，MEMS材料機械性能實驗技術研究已迫在眉睫。發明內容
本發明的目的是提供一種納米級微拉伸裝置，以解決現有的拉伸裝置外形結構尺寸大、試件測試精度差和安裝困難問題。
本發明為解決上述技術問題采取的技術方案是所述裝置還包括底板、支撐板、動載物臺、柔性鉸鏈、壓電陶瓷座、頂球、錐孔螺釘、壓電陶瓷、壓電陶瓷連接帽、L形蓋板、預緊螺帽、靜載物臺、三維位移臺和兩個載物片，底板上分別裝有支撐板和三維位移臺，支撐板上分別裝有柔性鉸鏈和L形蓋板，動載物臺為L形，L形動載物臺的水平段豎直設置且與柔性鉸鏈的側壁連接，三維位移臺的Z向調整螺桿與靜載物臺連接，動載物臺和靜載物臺上均裝有載物片，壓電陶瓷座固裝在L形蓋板的豎直段上，壓電陶瓷設在壓電陶瓷座內，壓電陶瓷底部與錐孔螺釘連接，壓電陶瓷座設有錐槽，錐孔螺釘的頭部設有錐孔，頂球設在錐孔螺釘的錐孔與壓電陶瓷座的錐槽之間，壓電陶瓷的頂部與壓電陶瓷連接帽連接，預緊螺帽穿過L形蓋板的豎直段與壓電陶瓷連接帽對應設置，每個載物片上設有凹槽、螺紋孔和多個沉頭孔，三維位移臺的Y向螺桿調整靜載物臺和動載物臺對中，三維位移臺的X向螺桿根據試樣長度調整靜載物臺與動載物臺之間X向的距離。
本發明具有以下有益效果本發明實現了微小桿或絲結構的單軸微拉伸實驗， 可實現最小拉伸位移為lOnm，可以結合原子力顯微鏡等顯微設備實現微拉伸過程的顯微觀察，完全適合金屬或非金屬微構件的納米級拉伸要求。本發明在測試時通過對 10 μ m-100 μ m直徑微桿結構合理安裝調試，可以實現微桿結構的高精度拉伸過程。裝置具有外形尺寸小、結構緊湊、測試精度高、使用方便、適合材料廣泛優點。
圖1是本發明的整體結構主視圖，圖2是圖1的俯視圖，圖3是圖1的左視圖，圖4 是柔性鉸鏈的主視圖，圖5是鉸鏈單元的結構示意圖，圖6是載物片的結構示意圖，圖7是錐孔螺釘的結構示意圖。
具體實施方式
具體實施方式
一結合圖1-圖3、圖6和圖7說明本實施方式，本實施方式的裝置還包括底板1、支撐板2、動載物臺3、柔性鉸鏈4、壓電陶瓷座5、頂球6、錐孔螺釘7、壓電陶瓷8、壓電陶瓷連接帽9、L形蓋板10、預緊螺帽12、靜載物臺13、三維位移臺14和兩個載物片11，底板1上分別裝有支撐板2和三維位移臺14，支撐板2上分別裝有柔性鉸鏈4和 L形蓋板10，動載物臺3為L形，L形動載物臺3的水平段豎直設置且與柔性鉸鏈4的側壁連接，三維位移臺14的Z向調整螺桿與靜載物臺13連接，動載物臺3和靜載物臺13上均裝有載物片11，壓電陶瓷座5固裝在L形蓋板10的豎直段上，壓電陶瓷8設在壓電陶瓷座 5內，壓電陶瓷8底部與錐孔螺釘7連接，壓電陶瓷座5設有錐槽5-1，錐孔螺釘7的頭部設有錐孔7-1，頂球6設在錐孔螺釘7的錐孔7-1與壓電陶瓷座5的錐槽5-1之間，壓電陶瓷 8的頂部與壓電陶瓷連接帽9連接，預緊螺帽12穿過L形蓋板10的豎直段與壓電陶瓷連接帽9對應設置，每個載物片11上設有凹槽11-1、螺紋孔11-2和多個沉頭孔11-3，凹槽11_1 和螺紋孔11-2相通，三維位移臺14的Y向螺桿調整靜載物臺13和動載物臺3對中，三維位移臺14的X向螺桿根據試樣長度調整靜載物臺13與動載物臺3之間X向的距離。
凹槽11-1用于放置被拉伸試件，螺紋孔11-2配合標準螺釘的旋緊起到被拉伸試件的固定作用，多個沉頭孔11-3用于與動載物臺3或靜載物臺13連接。
三維位移臺1是北京卓立漢光儀器有限公司生產的型號為ASM-XYZ-2A型整體式三維精密定位臺。
具體實施方式
二 結合圖1、圖4和圖5說明本實施方式，本實施方式的柔性鉸鏈 4由第一連接梁15、三個U形鉸鏈16、兩個第二連接梁17和兩個第一鉸鏈單元18-1構成， 每個U形鉸鏈16包括底梁16-1、兩個側梁16-2和四個第二鉸鏈單元18-2，底梁16_1通過一個第二鉸鏈單元18-2與相應的側梁16-2的一端連接，每個側梁16-2的另一端與第二鉸鏈單元18-2連接且該第二鉸鏈單元18-2各與剩余的U形鉸鏈16的底梁16_1連接，三個U 形鉸鏈16呈品字形設置，位于左側的兩個U形鉸鏈16各與一個第二連接梁17連接，每個第二連接梁17的中部通過一個第一鉸鏈單元18-1均與第一連接梁15連接。該結構的柔性鉸鏈具有伸縮方向(X向)剛度高、側向(Y向)柔度適宜、運動靈敏度高、導向精度好的特點。其它組成及連接關系與具體實施方式
一相同。
中國專利公開號為CNM59740
公開日為2001年11月14日公開了一種鉸鏈單元， 該鉸鏈單元為一個矩形立方體的兩個面分別設有凹槽，凹槽底端面呈半徑為R的圓弧狀， 兩個圓弧頂點之間的距離為柔性厚度t，兩個圓弧的圓心軸與柔性厚度t垂直，與兩圓心連線平行的立方體兩側面的邊長為鉸鏈的寬度h，h > 2R+t。
工作原理首先通過調節預緊螺帽12對壓電陶瓷8進行預緊。預緊的具體實施步驟如下通過螺紋連接將錐孔螺釘7、壓電陶瓷連接帽9與壓電陶瓷8相連。將壓電陶瓷座5豎直放置，并把頂球6放進壓電陶瓷座5的錐槽中。將預緊螺帽12旋入L形蓋板10 的螺紋孔。把與壓電陶瓷5連接的錐孔螺釘的錐孔與頂球6接觸，同時將與L形蓋板10相連的預緊螺帽12通過軸孔間隙配合與壓電陶瓷連接帽9相連。用螺釘將L形蓋板10和壓電陶瓷座5固定在一起，以上完成了微位移驅動器的預裝配。打開壓電陶瓷驅動電源，在閉環工作方式下，向壓電陶瓷8輸出滿行程40 μ m的位移信號，此時可讀出壓電陶瓷8實際輸出位移也為40 μ m，用外六角扳手順時針擰緊預緊螺帽12，可以看到，在預緊量加大的過程中，壓電陶瓷8實際輸出位移不再為40 μ m,而是小于40 μ m,而且預緊量越大，實際輸出位移越小，找到使壓電陶瓷8實際輸出位移剛剛發生變化的預緊螺帽12的位置便完成了壓電陶瓷8的預緊。
調節預緊螺帽12，使壓電陶瓷8預緊量達到一個合適值，在動載物臺3、靜載物臺 13的載物片11上分別放一量塊，在動載物臺3的一側放置一個光源，調整三維位移臺14的 Z向調整螺桿，依據動載物臺3和靜載物臺13與量塊間的透光量調節動載物臺3和靜載物臺13的水平位置。調整三維位移臺14的X向螺桿，使得動載物臺3和靜載物臺13之間在 X方向上留有很小的空隙，再調整三維位移臺14的Y向螺桿，依據動載物臺3和靜載物臺 13上載物片11的凹槽調整動載物臺3和靜載物臺13的對中，根據試樣長度調整三維位移臺14的X向螺桿，校準與動載物臺相連的微位移測試儀和微力測試儀，調整好被拉伸試件上方的顯微鏡系統，將微桿試樣固定在載物片11的凹槽中，驅動電源對壓電陶瓷8施加一定的電壓時，壓電陶瓷8將產生沿軸向的伸長運動，由于這種軸向伸長運動通過壓電陶瓷連接帽9、預緊螺帽12傳遞到L形蓋板10上時受到限制。因此，壓電陶瓷8的軸向伸長運動將通過壓電陶瓷座5傳遞到柔性鉸鏈上。伸長運動行程在柔性鉸鏈的放大作用下，驅使動載物臺3產生負X方向的運動，由于靜載物臺13此時已經調整好，并處于固定狀態，動載物臺3的負X方向運動將使得兩個載物片11產生X方向的相對運動，最終實現被拉伸試件的X方向拉伸運動，完成對微桿(絲)試樣的拉伸。拉伸過程中獲取不同載荷條件下的計算機圖像，并記錄不同載荷條件下的微力和微位移。
權利要求
1.一種納米級微拉伸裝置，其特征在于所述裝置還包括底板(1)、支撐板O)、動載物臺(3)、柔性鉸鏈(4)、壓電陶瓷座(5)、頂球(6)、錐孔螺釘(7)、壓電陶瓷(8)、壓電陶瓷連接帽(9)、L形蓋板(10)、預緊螺帽(12)、靜載物臺(13)、三維位移臺(14)和兩個兩個載物片(11)，底板(1)上分別裝有支撐板( 和三維位移臺(14)，支撐板( 上分別裝有柔性鉸鏈(4)和L形蓋板(10)，動載物臺( 為L形，L形動載物臺( 的水平段豎直設置且與柔性鉸鏈(4)的側壁連接，三維位移臺(14)的Z向調整螺桿與靜載物臺(13)連接，動載物臺 ⑶和靜載物臺(13)上均裝有兩個載物片(11)，壓電陶瓷座(5)固裝在L形蓋板(10)的豎直段上，壓電陶瓷(8)設在壓電陶瓷座(5)內，壓電陶瓷(8)底部與錐孔螺釘(7)連接， 壓電陶瓷座( 設有錐槽(5-1)，錐孔螺釘(7)的頭部設有錐孔(7-1)，頂球(6)設在錐孔螺釘(7)的錐孔(7-1)與壓電陶瓷座(5)的錐槽(5-1)之間，壓電陶瓷(8)的頂部與壓電陶瓷連接帽(9)連接，預緊螺帽(12)穿過L形蓋板(10)的豎直段與壓電陶瓷連接帽(9) 對應設置，每個兩個載物片(11)上設有凹槽(11-1)、螺紋孔(11-2)和多個沉頭孔(11-3)， 凹槽(11-1)和螺紋孔(11-2)相通，，三維位移臺(14)的Y向螺桿調整靜載物臺(13)和動載物臺( 對中，三維位移臺(14)的X向螺桿根據試樣長度調整靜載物臺(1 與動載物臺(3)之間X向的距離。
2.根據權利要求1所述納米級微拉伸裝置，其特征在于柔性鉸鏈由第一連接梁 (15)、三個U形鉸鏈(16)、兩個第二連接梁(17)和兩個第一鉸鏈單元(18-1)構成，每個U 形鉸鏈(16)包括底梁(16-1)、兩個側梁(16- 和四個第二鉸鏈單元(18-2)，底梁(16_1) 通過一個第二鉸鏈單元(18- 與相應的側梁(16- 的一端連接，每個側梁(16- 的另一端與第二鉸鏈單元(18- 連接且該第二鉸鏈單元(18- 各與剩余的U形鉸鏈(16)的底梁(16-1)連接，三個U形鉸鏈(16)呈品字形設置，位于左側的兩個U形鉸鏈(16)各與一個第二連接梁(17)連接，每個第二連接梁(17)的中部通過一個第一鉸鏈單元(18-1)均與第一連接梁(1 連接。
全文摘要
納米級微拉伸裝置，它涉及一種微拉伸裝置。解決現有的拉伸裝置外形結構尺寸大、試件測試精度差和安裝困難問題。底板上分別裝有支撐板和三維位移臺，支撐板上分別裝有柔性鉸鏈和L形蓋板，動載物臺為L形，L形動載物臺的水平段豎直設置且與柔性鉸鏈的側壁連接，三維位移臺的Z向調整螺桿與靜載物臺連接，動載物臺和靜載物臺上均裝有載物片，壓電陶瓷座固裝在L形蓋板的豎直段上，壓電陶瓷設在壓電陶瓷座內，壓電陶瓷底部與錐孔螺釘連接，頂球設在錐孔螺釘與壓電陶瓷座的錐槽中，壓電陶瓷的頂部與壓電陶瓷連接帽連接，預緊螺帽穿過L形蓋板的豎直段與壓電陶瓷連接帽對應設置，每個載物片上設有螺紋孔和多個凹槽。本發明用于微構件的拉伸測試。
文檔編號G01N3/16GK102507339SQ201110331820
公開日2012年6月20日 申請日期2011年10月27日 優先權日2011年10月27日
發明者何彬, 盧禮華, 梁迎春, 白清順 申請人:哈爾濱工業大學