[發明專利]具有大量程高精度的柔性鉸鏈微構件彎曲測試裝置

有效

• 申請號: 201810759003.1
• 申請日: 2018-07-11
• 公開（公告）號: CN108871972B
• 公開（公告）日: 2021-03-09
• 發明（設計）人: 王標;蔣亞淼;吳薇
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: G01N3/20
• 分類號: G01N3/20
• 代理公司: 安徽省合肥新安專利代理有限責任公司 34101
• 代理人: 何梅生

本發明提供了一種具有大量程高精度的柔性鉸鏈微構件彎曲測試裝置，其中，加載機構是由直線電機輸出初始位移、經一級位移縮小機構縮小后輸出為一級位移，二級位移放大機構是通過第一壓電陶瓷驅動器產生位移、并放大輸出為二級位移，與一級位移累加作為最終位移，刀頭以最終位移為朝向試件前進的位移量，并是通過壓力傳感機構測量刀頭前進時所受力、通過光柵位移傳感機構讀取刀頭前進位移量；夾持機構的夾持體是通過對第二壓電陶瓷驅動器產生的位移放大后輸出，傳遞給夾持體輸出端的一對夾持頭、形成對試件的夾持。本發明能實現微力微位移的微納米級精確加載，保證夾持和彎曲過程中良好的導向性，從而適應各種材料的微構件力學性能測試。

技術領域

本發明涉及一種薄膜材料技術領域的微納材料的力學性能測試裝置，更具體地說是一種具有大量程高精度的柔性鉸鏈微構件彎曲測試裝置。

背景技術

隨著微機電系統(MEMS)技術的迅速發展，各種材料的微構件被廣泛應用于微器件中。MEMS微構件的尺寸一般在毫米級到微米級，受加工工藝、尺寸效應、表面缺陷等因素影響，微尺寸下材料的力學性能與宏觀尺寸下的力學性能可能發生較大的變化。因此，微構件力學性能是研究MEMS重要的理論基礎，對MEMS器件的可靠性設計十分重要。單向彎曲試驗是測量材料彈性模量、泊松比、屈服強度和斷裂強度等參數最直接的方法，但由于微構件的尺寸小，傳統拉伸測試設備存在試樣的夾持、導向不準等不足，需要設計出適應微構件力學性能測量的彎曲試驗系統。

目前，清華大學丁建寧等人通過硅微工藝制作了多晶硅微懸臂梁，利用納米硬度計對該試件進行彎曲試驗來測定其彈性模量等力學參數，可以測量到納米級的彎曲形變，但是必須考慮納米硬度計的壓頭在微懸臂梁上的壓入沿著寬度方向的撓曲變形分量對結果造成的誤差；西安交通大學王海容和蔣莊德等人設計制造了一套可以進行微構件力學特性測試的儀器，該儀器能測出待測試件的載荷位移曲線，通過這些曲線的分析能夠得到硬度、彈性模量、屈服強度、斷裂韌度等力學性能；中國工程物理學院與北京航空航天大學陳樟等人提出了一種非接觸式的彎曲測試法－微射流驅動的彎曲測試方法。

上述方法中集成式彎曲法試件的切口形狀對斷裂的產生影響較大，測量的結果對器件的微加工工藝水平依賴較大；非接觸式靜電加載方法避免了壓頭與試件直接接觸帶來的損傷，但是殘余應力需要是拉應力，能測量的力學較少。

發明內容

本發明旨在至少在一定程度上解決上述技術問題之一。為此，本發明提出一種操作方便、低成本的具有大量程高精度的柔性鉸鏈微構件彎曲測試裝置，以期克服現有測量方法中因導向精度低引起的測量誤差和非接觸時測量力學較少的不足，實現微力微位移的微納米級精確加載，保證夾持和彎曲過程中良好的導向性，從而適應各種材料的微構件力學性能測試。

為實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種具有大量程高精度的柔性鉸鏈微構件彎曲測試裝置，其結構特點是：由加載機構、壓力傳感機構、光柵位移傳感機構、刀頭支承機構及夾持機構構成；

加載機構是由直線電機輸出初始位移、經兩級加載機構中的一級位移縮小機構縮小后輸出為一級位移，所述兩級加載機構中的二級位移放大機構是通過第一壓電陶瓷驅動器產生位移、并放大輸出為二級位移，以所述一級位移與二級位移的累加位移為最終位移，設于二級位移放大機構輸出端的刀頭由刀頭支承機構承托、以所述最終位移為朝向試件前進的位移量，并是通過壓力傳感機構測量刀頭前進時所受力、通過光柵位移傳感機構讀取刀頭前進位移量；

所述夾持機構是在夾持基座上設置夾持體，所述夾持體為位移放大機構、位置可調，是通過對第二壓電陶瓷驅動器產生的位移放大后輸出，傳遞給夾持體輸出端的一對夾持頭，使所述一對夾持頭能夠以相對張合的形式形成對試件的夾持。

本發明的結構特點也在于：

一級位移縮小機構為直型柔性鉸鏈與圓弧型柔性鉸鏈相結合的對稱結構，輸入端與所述直線電機的輸出端相接觸；