[發(fā)明專利]一種基于微鑷的粘附力測試方法

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• 申請日: 2019-05-11
• 公開（公告）號: CN110108625A
• 公開（公告）日: 2019-08-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 索奕雙;郭強(qiáng);張向平
• 申請（專利權(quán)）人: 金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院
• 主分類號: G01N15/10
• 分類號: G01N15/10;G01N19/04;G01Q60/28
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1.一種基于微鑷的粘附力測試方法，基于微鑷的粘附力測試裝置包括基座(1)、位移臺I(2)、力學(xué)測量單元(3)、激光位移計(jì)(4)、懸臂(5)、相機(jī)架(6)、照相機(jī)(7)、位移臺II(8)、襯底(9)、顆粒樣品(10)、微鑷(11)、致動器(12)、位移臺III(13)、支架(14)、光學(xué)顯微鏡(15)、計(jì)算機(jī)和電纜，xyz為三維坐標(biāo)系，位移臺I(2)、相機(jī)架(6)、位移臺II(8)和支架(14)依次連接于基座(1)上面，位移臺I(2)、相機(jī)架(6)、微鑷(11)、致動器(12)和位移臺III(13)分別電纜連接計(jì)算機(jī)，力學(xué)測量單元(3)安裝于位移臺I(2)上面，通過計(jì)算機(jī)控制位移臺I(2)，能夠使得力學(xué)測量單元(3)分別在xyz三個方向直線移動，懸臂(5)是具有固定端和活動端的金屬片，固定端固定于力學(xué)測量單元(3)的上面，在不受外力的情況下，固定端與活動端位于同一水平面，激光位移計(jì)(4)連接于力學(xué)測量單元(3)的側(cè)面，并且激光位移計(jì)(4)位于懸臂(5)的活動端下方的20毫米處，用于監(jiān)測懸臂(5)的活動端在y方向的位移；照相機(jī)(7)安裝于相機(jī)架(6)上，用于監(jiān)測懸臂(5)的形變，通過計(jì)算機(jī)控制相機(jī)架(6)能夠使得照相機(jī)(7)分別在xyz三個方向直線移動；襯底(9)位于位移臺II(8)上，襯底(9)上面吸附有顆粒樣品(10)；位移臺III(13)和光學(xué)顯微鏡(15)自下而上安裝于支架(14)上，位移臺III(13)和光學(xué)顯微鏡(15)的位置均能夠通過支架(14)進(jìn)行調(diào)節(jié)，致動器(12)安裝于位移臺III(13)的下面，通過計(jì)算機(jī)控制位移臺III(13)能夠使得致動器(12)分別在xyz三個方向直線移動，通過計(jì)算機(jī)對致動器(12)施以不同電壓，能夠使得致動器(12)在y方向伸縮，微鑷(11)固定于致動器(12)的下面，微鑷(11)的前端具有兩個操縱指，通過計(jì)算機(jī)控制微鑷(11)能夠使操縱指開啟或閉合，操縱指能夠抓取顆粒樣品(10)，被抓取測試的顆粒樣品(10)稱為待測微粒，微鑷(11)具有微機(jī)電力傳感器，微機(jī)電力傳感器能夠?qū)y得的微鑷(11)受到的力的信息傳輸入計(jì)算機(jī)；懸臂(5)為原子力顯微鏡的懸臂，懸臂(5)的長度為250微米、寬度為30微米、厚度為0.9微米，懸臂(5)的彈性系數(shù)為0.09牛/米，顆粒樣品(10)的尺寸范圍為0.5微米到5微米，微鑷(11)由硅材料微加工制成，微鑷(11)前端的兩個操縱指之間最大間隙為8微米，兩個操縱指之間能夠施加的最大力為400微牛，致動器(12)由壓電陶瓷制成，致動器(12)在y方向的最小伸縮步進(jìn)為50納米，

其特征是：所述的一種基于微鑷的粘附力測試方法的步驟為：

步驟一，通過支架(14)調(diào)節(jié)光學(xué)顯微鏡(15)的位置，使光學(xué)顯微鏡(15)位于襯底(9)的正上方，用于觀測襯底(9)表面的情況及微鑷(11)的移動情況，通過支架(14)調(diào)節(jié)位移臺III(13)的位置，使位移臺III(13)位于襯底(9)的側(cè)上方，通過計(jì)算機(jī)控制位移臺III(13)及致動器(12)，使得微鑷(11)移動至襯底(9)的正上方200微米處；

步驟二，通過計(jì)算機(jī)控制，使致動器(12)在y方向伸長，并使得微鑷(11)的前端移動至與襯底(9)表面相接觸，然后，通過計(jì)算機(jī)控制，使致動器(12)在y方向收縮，并使得微鑷(11)的前端向上移動1微米；

步驟三，通過計(jì)算機(jī)控制位移臺III(13)，使得微鑷(11)在水平面內(nèi)移動，并使得微鑷(11)前端的兩個操縱指位于一個待測微粒的兩側(cè)，通過計(jì)算機(jī)控制微鑷(11)前端的操縱指進(jìn)行閉合操作，使得兩個操縱指將待測微粒夾住；

步驟四，通過支架(14)調(diào)節(jié)光學(xué)顯微鏡(15)的位置，使得光學(xué)顯微鏡(15)位于懸臂(5)正上方，用于觀測懸臂(5)的形變情況及微鑷(11)的移動情況，通過支架(14)調(diào)節(jié)位移臺III(13)的位置，使位移臺III(13)位于懸臂(5)的側(cè)上方，通過計(jì)算機(jī)控制位移臺III(13)，使得致動器(12)及微鑷(11)移動至懸臂(5)的正上方200微米處；

步驟五，通過計(jì)算機(jī)控制，使致動器(12)在y方向伸長，并使得微鑷(11)前端的待測微粒自上而下以2微米/秒速度移動，直到與懸臂(5)活動端的上表面接觸，同時，微鑷(11)中的微機(jī)電力傳感器測得微鑷(11)的受力發(fā)生變化，或者激光位移計(jì)(4)測得懸臂(5)活動端產(chǎn)生了沿y負(fù)方向的移動，則說明待測微粒與懸臂(5)接觸；

步驟六，通過計(jì)算機(jī)控制，使致動器(12)在y方向伸長，并使得微鑷(11)前端的待測微粒繼續(xù)自上而下以0.5微米/秒速度移動，直到激光位移計(jì)(4)測得的懸臂(5)的活動端向下偏離初始位置為1微米；

步驟七，通過計(jì)算機(jī)控制位移臺I(2)，使得力學(xué)測量單元(3)帶動懸臂(5)的固定端沿y負(fù)方向以0.5微米/秒速度移動，直到待測微粒與懸臂(5)分離；

步驟八，通過激光位移計(jì)(4)記錄懸臂(5)的活動端在y方向的位移，并得到懸臂(5)的活動端與待測微粒分離的時刻在y方向的位置y₁，計(jì)算得到懸臂(5)的活動端的偏向距離Δy＝y(tǒng)₁-y₀，其中y₀為懸臂(5)的活動端在不受外力時在y方向的初始位置；

步驟九，通過懸臂(5)的彈性系數(shù)和懸臂(5)的活動端與待測微粒分離時刻的偏向距離Δy的乘積，從而得到待測微粒在懸臂(5)表面的粘附力。