[實(shí)用新型]基于超磁致伸縮原理的微結(jié)構(gòu)彎扭疲勞試驗(yàn)裝置

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200620158663.7
• 申請(qǐng)日: 2006-12-01
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN200993627Y
• 公開(kāi)（公告）日: 2007-12-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 尚德廣;劉豪;賈冠華;李力森;王瑞杰
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N3/20
• 分類號(hào): G01N3/20;G01M19/00
• 代理公司: 北京思海天達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司
• 代理人: 沈波

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型涉及一種基于超磁致伸縮原理的微結(jié)構(gòu)彎扭疲勞試驗(yàn)裝置，屬于MEMS(Micro-E1ectro-Mechanical?System，微機(jī)電系統(tǒng))技術(shù)基礎(chǔ)研究領(lǐng)域。

背景技術(shù)

研究發(fā)現(xiàn)，許多材料在宏觀尺度下與在微納米尺度下表現(xiàn)出不同的特性，如在宏觀狀態(tài)下屬于脆性材料的硅在微納米尺度下會(huì)產(chǎn)生疲勞特性，金屬薄膜特別是銅薄膜的疲勞強(qiáng)度隨薄膜厚度的減小而明顯升高，因此研究材料在微納米尺度下的疲勞特性對(duì)于MEMS可靠性設(shè)計(jì)及壽命預(yù)測(cè)有著重要的意義。目前，國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者主要采用微力試驗(yàn)機(jī)開(kāi)展片外測(cè)試，也有利用靜電諧振原理開(kāi)發(fā)的片上測(cè)試系統(tǒng)。片外測(cè)試一般局限于研究單軸疲勞，該方法中試件的制造工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，但是試件的操縱、裝卡、對(duì)中等比較困難；片上測(cè)試系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)單軸疲勞和拉彎多軸疲勞，但系統(tǒng)制造工藝復(fù)雜，成品率低，成本高，且不易實(shí)現(xiàn)彎扭組合的多軸疲勞試驗(yàn)。

實(shí)用新型內(nèi)容

本實(shí)用新型的目的在于克服了上述缺陷，提供了一種基于超磁致伸縮原理的微結(jié)構(gòu)彎扭疲勞試驗(yàn)裝置，本裝置能夠使試樣處于彎扭的多軸受力環(huán)境中，對(duì)試樣的彎扭疲勞特性進(jìn)行研究。同時(shí)本裝置還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于加工的優(yōu)點(diǎn)。

為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采取了如下技術(shù)方案。本裝置主要包括有基底1、超磁致復(fù)合層伸縮薄膜和“T”型試樣2。超磁致復(fù)合層伸縮薄膜由三層薄膜構(gòu)成，從上至下依次為負(fù)磁致伸縮薄膜3、由彈性較好的材料制成的基片4和正磁致伸縮薄膜5。其中，在基底1的中心有一凹槽，超磁致伸縮薄膜設(shè)置在該凹槽內(nèi)，其一端固定在基底1上構(gòu)成懸臂梁結(jié)構(gòu)，另一端與“T”型試樣2中間的一端固定連接，試驗(yàn)2的另兩端分別固定在基底1上。

所述的試樣2固定在基底1的兩端分別開(kāi)有缺口，缺口相對(duì)于試驗(yàn)2中間端對(duì)稱。

本實(shí)用新型的試驗(yàn)原理為：由通電的線圈產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，將本實(shí)用新型的試驗(yàn)裝置置于磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)超磁致復(fù)合層伸縮薄膜，負(fù)磁致伸縮薄膜3縮短，正磁致伸縮薄膜5伸長(zhǎng)，從而帶動(dòng)基片4向上偏轉(zhuǎn)，薄膜偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生的應(yīng)力可以分解為豎直方向和水平方向，豎直方向應(yīng)力將對(duì)試樣2產(chǎn)生扭矩，水平方向應(yīng)力將對(duì)試樣2產(chǎn)生彎矩。當(dāng)磁場(chǎng)減為零時(shí)，正負(fù)磁致伸縮薄膜變形恢復(fù)，但是由于重力和聚酰亞胺基片良好的彈性作用，將繼續(xù)向下偏轉(zhuǎn)。因此當(dāng)磁場(chǎng)周期變化時(shí)，薄膜對(duì)試樣2產(chǎn)生交變應(yīng)力，以達(dá)到循環(huán)彎扭疲勞試驗(yàn)的效果。薄膜對(duì)試樣2產(chǎn)生交變彎扭應(yīng)力，可以通過(guò)調(diào)節(jié)流入線圈的電信號(hào)來(lái)改變應(yīng)力大小。試樣2的振幅檢測(cè)裝置由非接觸式激光位移傳感器與計(jì)算機(jī)組成，上述裝置的工作狀態(tài)即試驗(yàn)過(guò)程通過(guò)高倍顯微鏡、CCD攝像頭與計(jì)算機(jī)結(jié)合進(jìn)行微觀觀察。

本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)和有益效果：

1、本實(shí)用新型使試樣處于彎扭的多軸受力環(huán)境中，與MEMS典型器件的受力環(huán)境相類似，其研究結(jié)果具有很高的實(shí)用價(jià)值。

2、本實(shí)用新型的試件加工可以采用傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)MEMS加工工藝加工，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于加工、經(jīng)濟(jì)性好。

3、本裝置應(yīng)用范圍廣，可對(duì)多晶硅、單晶硅、銅、鋁等常見(jiàn)MEMS材料的彎扭疲勞特性進(jìn)行研究。

附圖說(shuō)明

圖1基于超磁致伸縮原理的微結(jié)構(gòu)彎扭疲勞試驗(yàn)裝置試件的正面示意圖

圖2基于超磁致伸縮原理的微結(jié)構(gòu)彎扭疲勞試驗(yàn)裝置試件局部放大圖

圖3基于超磁致伸縮原理的微結(jié)構(gòu)彎扭疲勞試驗(yàn)裝置試件的B-B剖面示圖

圖4基于超磁致伸縮原理的微結(jié)構(gòu)彎扭疲勞試驗(yàn)裝置試件的三維示圖

圖5試驗(yàn)裝置系統(tǒng)示意圖

圖中：1、基底，2、試樣，3、負(fù)超磁致伸縮薄膜，4、基片，5、正超磁致伸縮薄膜。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖1～5對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)施例加以說(shuō)明：

本實(shí)施例中的試件100，是基于超磁致伸縮原理的微結(jié)構(gòu)彎扭疲勞試驗(yàn)裝置，其結(jié)構(gòu)示意圖參見(jiàn)圖1、圖2，圖1為其正面全局圖，圖2為其正面主要結(jié)構(gòu)部分的局部放大圖。

從圖3中可以看出超磁致復(fù)合層伸縮薄膜的結(jié)構(gòu)，分為三層，中間一層為聚酰亞胺基片4，上下分別鍍有5μm厚度的負(fù)超磁致材料SmFe₂和正超磁致材料Terfenol-D，超磁致復(fù)合層薄膜的一端固定在基底1里構(gòu)成懸臂梁結(jié)構(gòu)，另一端與“T”型疲勞試樣2中間的一端相連，試樣2中間的一端插入聚酰亞胺基片4中并與其固定，“T”試樣2另兩端分別固定在基底1上，超磁致復(fù)合層薄膜和試驗(yàn)2通過(guò)其固定在基底1上的三端的支撐而懸空，并且固定在基底1上的兩端在側(cè)面上相對(duì)于中間的梁對(duì)稱引入缺口。試樣2和復(fù)合層薄膜及基底1通過(guò)磁控濺射方法加工為一體性結(jié)構(gòu)。