专利名称：纳米级微拉伸装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种微拉伸装置。
技术背景
微机械电子系统(MEMQ是集微型机构、微型传感器、微型执行器、信号处理和控制电路以及接口、通讯电路和电源等于一体，可以完成信息获取，处理，控制及执行功能的集成微系统。由于MEMS具有可批量生产、外形尺寸小、集成度高、成本低，可靠性高和功能性好等优点，使得其在微加速度传感器、微惯性与压力传感器、微型喷气发动机、大规模数据存储系统和微型生物化学分析设备等领域获得了极大的发展。微小的梁结构、杆结构以及微米甚至纳米级别的丝结构是MEMS中应用较为广泛、也是特别关键的机械构件。随着对 MEMS应用的不断拓展，常规条件下材料力学性能参数的测试已远不能满足MEMS系统结构的设计要求。同时，采用计算机模拟的方式所获得的微构件的力学参数又很难通过实验的方法进行验证。因此，研究微位移条件下的微构件的力学特性研究有助于微系统结构设计和功能实现，同时为表征微结构的力学参数、制定MEMS结构标准将提供重要的依据。
在MEMS系统微构件的材料力学性能测试中，拉伸测试主要解决材料弹性模量、泊松比、屈服强度和断裂强度等力学参数的测试。与其它的测试方法相比，拉伸测试最直接、 最准确。从原理上讲，试件的拉伸测试要求分别测量位移和载荷分量，实验不仅可以得到微构件包括塑性变形在内的拉伸力——应变曲线的全过程，而且样品在拉伸测试中受到均勻的拉伸应力，能够全面反映材料的强度特性。实验数据也非常易于分析说明。现在正日益受到科研人员的重视，是一种比较理想的方法。
当前，微构件的力学特性测试还存在着很多困难，以微构件的微拉伸实验为例1、 如果试样的尺寸非常微小，其测试过程要求很高的运动精度和系统分辨率；2、试样所承受的最大载荷也小，试样安装和夹具设计也是个挑战；3、试样的对准、校正都非常困难。以上这些困难导致微结构的机械性能数据至今仍很匮乏，这严重阻碍了 MEMS技术的发展和推广，MEMS材料机械性能实验技术研究已迫在眉睫。发明内容
本发明的目的是提供一种纳米级微拉伸装置，以解决现有的拉伸装置外形结构尺寸大、试件测试精度差和安装困难问题。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是所述装置还包括底板、支撑板、动载物台、柔性铰链、压电陶瓷座、顶球、锥孔螺钉、压电陶瓷、压电陶瓷连接帽、L形盖板、预紧螺帽、静载物台、三维位移台和两个载物片，底板上分别装有支撑板和三维位移台，支撑板上分别装有柔性铰链和L形盖板，动载物台为L形，L形动载物台的水平段竖直设置且与柔性铰链的侧壁连接，三维位移台的Z向调整螺杆与静载物台连接，动载物台和静载物台上均装有载物片，压电陶瓷座固装在L形盖板的竖直段上，压电陶瓷设在压电陶瓷座内，压电陶瓷底部与锥孔螺钉连接，压电陶瓷座设有锥槽，锥孔螺钉的头部设有锥孔，顶球设在锥孔螺钉的锥孔与压电陶瓷座的锥槽之间，压电陶瓷的顶部与压电陶瓷连接帽连接，预紧螺帽穿过L形盖板的竖直段与压电陶瓷连接帽对应设置，每个载物片上设有凹槽、螺纹孔和多个沉头孔，三维位移台的Y向螺杆调整静载物台和动载物台对中，三维位移台的X向螺杆根据试样长度调整静载物台与动载物台之间X向的距离。
本发明具有以下有益效果本发明实现了微小杆或丝结构的单轴微拉伸实验， 可实现最小拉伸位移为lOnm，可以结合原子力显微镜等显微设备实现微拉伸过程的显微观察，完全适合金属或非金属微构件的纳米级拉伸要求。本发明在测试时通过对 10 μ m-100 μ m直径微杆结构合理安装调试，可以实现微杆结构的高精度拉伸过程。装置具有外形尺寸小、结构紧凑、测试精度高、使用方便、适合材料广泛优点。


图1是本发明的整体结构主视图，图2是图1的俯视图，图3是图1的左视图，图4 是柔性铰链的主视图，图5是铰链单元的结构示意图，图6是载物片的结构示意图，图7是锥孔螺钉的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式
一结合图1-图3、图6和图7说明本实施方式，本实施方式的装置还包括底板1、支撑板2、动载物台3、柔性铰链4、压电陶瓷座5、顶球6、锥孔螺钉7、压电陶瓷8、压电陶瓷连接帽9、L形盖板10、预紧螺帽12、静载物台13、三维位移台14和两个载物片11，底板1上分别装有支撑板2和三维位移台14，支撑板2上分别装有柔性铰链4和 L形盖板10，动载物台3为L形，L形动载物台3的水平段竖直设置且与柔性铰链4的侧壁连接，三维位移台14的Z向调整螺杆与静载物台13连接，动载物台3和静载物台13上均装有载物片11，压电陶瓷座5固装在L形盖板10的竖直段上，压电陶瓷8设在压电陶瓷座 5内，压电陶瓷8底部与锥孔螺钉7连接，压电陶瓷座5设有锥槽5-1，锥孔螺钉7的头部设有锥孔7-1，顶球6设在锥孔螺钉7的锥孔7-1与压电陶瓷座5的锥槽5-1之间，压电陶瓷 8的顶部与压电陶瓷连接帽9连接，预紧螺帽12穿过L形盖板10的竖直段与压电陶瓷连接帽9对应设置，每个载物片11上设有凹槽11-1、螺纹孔11-2和多个沉头孔11-3，凹槽11_1 和螺纹孔11-2相通，三维位移台14的Y向螺杆调整静载物台13和动载物台3对中，三维位移台14的X向螺杆根据试样长度调整静载物台13与动载物台3之间X向的距离。
凹槽11-1用于放置被拉伸试件，螺纹孔11-2配合标准螺钉的旋紧起到被拉伸试件的固定作用，多个沉头孔11-3用于与动载物台3或静载物台13连接。
三维位移台1是北京卓立汉光仪器有限公司生产的型号为ASM-XYZ-2A型整体式三维精密定位台。
具体实施方式
二 结合图1、图4和图5说明本实施方式，本实施方式的柔性铰链 4由第一连接梁15、三个U形铰链16、两个第二连接梁17和两个第一铰链单元18-1构成， 每个U形铰链16包括底梁16-1、两个侧梁16-2和四个第二铰链单元18-2，底梁16_1通过一个第二铰链单元18-2与相应的侧梁16-2的一端连接，每个侧梁16-2的另一端与第二铰链单元18-2连接且该第二铰链单元18-2各与剩余的U形铰链16的底梁16_1连接，三个U 形铰链16呈品字形设置，位于左侧的两个U形铰链16各与一个第二连接梁17连接，每个第二连接梁17的中部通过一个第一铰链单元18-1均与第一连接梁15连接。该结构的柔性铰链具有伸缩方向(X向)刚度高、侧向(Y向)柔度适宜、运动灵敏度高、导向精度好的特点。其它组成及连接关系与具体实施方式
一相同。
中国专利公开号为CNM59740
公开日为2001年11月14日公开了一种铰链单元， 该铰链单元为一个矩形立方体的两个面分别设有凹槽，凹槽底端面呈半径为R的圆弧状， 两个圆弧顶点之间的距离为柔性厚度t，两个圆弧的圆心轴与柔性厚度t垂直，与两圆心连线平行的立方体两侧面的边长为铰链的宽度h，h > 2R+t。
工作原理首先通过调节预紧螺帽12对压电陶瓷8进行预紧。预紧的具体实施步骤如下通过螺纹连接将锥孔螺钉7、压电陶瓷连接帽9与压电陶瓷8相连。将压电陶瓷座5竖直放置，并把顶球6放进压电陶瓷座5的锥槽中。将预紧螺帽12旋入L形盖板10 的螺纹孔。把与压电陶瓷5连接的锥孔螺钉的锥孔与顶球6接触，同时将与L形盖板10相连的预紧螺帽12通过轴孔间隙配合与压电陶瓷连接帽9相连。用螺钉将L形盖板10和压电陶瓷座5固定在一起，以上完成了微位移驱动器的预装配。打开压电陶瓷驱动电源，在闭环工作方式下，向压电陶瓷8输出满行程40 μ m的位移信号，此时可读出压电陶瓷8实际输出位移也为40 μ m，用外六角扳手顺时针拧紧预紧螺帽12，可以看到，在预紧量加大的过程中，压电陶瓷8实际输出位移不再为40 μ m,而是小于40 μ m,而且预紧量越大，实际输出位移越小，找到使压电陶瓷8实际输出位移刚刚发生变化的预紧螺帽12的位置便完成了压电陶瓷8的预紧。
调节预紧螺帽12，使压电陶瓷8预紧量达到一个合适值，在动载物台3、静载物台 13的载物片11上分别放一量块，在动载物台3的一侧放置一个光源，调整三维位移台14的 Z向调整螺杆，依据动载物台3和静载物台13与量块间的透光量调节动载物台3和静载物台13的水平位置。调整三维位移台14的X向螺杆，使得动载物台3和静载物台13之间在 X方向上留有很小的空隙，再调整三维位移台14的Y向螺杆，依据动载物台3和静载物台 13上载物片11的凹槽调整动载物台3和静载物台13的对中，根据试样长度调整三维位移台14的X向螺杆，校准与动载物台相连的微位移测试仪和微力测试仪，调整好被拉伸试件上方的显微镜系统，将微杆试样固定在载物片11的凹槽中，驱动电源对压电陶瓷8施加一定的电压时，压电陶瓷8将产生沿轴向的伸长运动，由于这种轴向伸长运动通过压电陶瓷连接帽9、预紧螺帽12传递到L形盖板10上时受到限制。因此，压电陶瓷8的轴向伸长运动将通过压电陶瓷座5传递到柔性铰链上。伸长运动行程在柔性铰链的放大作用下，驱使动载物台3产生负X方向的运动，由于静载物台13此时已经调整好，并处于固定状态，动载物台3的负X方向运动将使得两个载物片11产生X方向的相对运动，最终实现被拉伸试件的X方向拉伸运动，完成对微杆(丝)试样的拉伸。拉伸过程中获取不同载荷条件下的计算机图像，并记录不同载荷条件下的微力和微位移。
权利要求
1.一种纳米级微拉伸装置，其特征在于所述装置还包括底板(1)、支撑板O)、动载物台(3)、柔性铰链(4)、压电陶瓷座(5)、顶球(6)、锥孔螺钉(7)、压电陶瓷(8)、压电陶瓷连接帽(9)、L形盖板(10)、预紧螺帽(12)、静载物台(13)、三维位移台(14)和两个两个载物片(11)，底板(1)上分别装有支撑板( 和三维位移台(14)，支撑板( 上分别装有柔性铰链(4)和L形盖板(10)，动载物台( 为L形，L形动载物台( 的水平段竖直设置且与柔性铰链(4)的侧壁连接，三维位移台(14)的Z向调整螺杆与静载物台(13)连接，动载物台 ⑶和静载物台(13)上均装有两个载物片(11)，压电陶瓷座(5)固装在L形盖板(10)的竖直段上，压电陶瓷(8)设在压电陶瓷座(5)内，压电陶瓷(8)底部与锥孔螺钉(7)连接， 压电陶瓷座( 设有锥槽(5-1)，锥孔螺钉(7)的头部设有锥孔(7-1)，顶球(6)设在锥孔螺钉(7)的锥孔(7-1)与压电陶瓷座(5)的锥槽(5-1)之间，压电陶瓷(8)的顶部与压电陶瓷连接帽(9)连接，预紧螺帽(12)穿过L形盖板(10)的竖直段与压电陶瓷连接帽(9) 对应设置，每个两个载物片(11)上设有凹槽(11-1)、螺纹孔(11-2)和多个沉头孔(11-3)， 凹槽(11-1)和螺纹孔(11-2)相通，，三维位移台(14)的Y向螺杆调整静载物台(13)和动载物台( 对中，三维位移台(14)的X向螺杆根据试样长度调整静载物台(1 与动载物台(3)之间X向的距离。
2.根据权利要求1所述纳米级微拉伸装置，其特征在于柔性铰链由第一连接梁 (15)、三个U形铰链(16)、两个第二连接梁(17)和两个第一铰链单元(18-1)构成，每个U 形铰链(16)包括底梁(16-1)、两个侧梁(16- 和四个第二铰链单元(18-2)，底梁(16_1) 通过一个第二铰链单元(18- 与相应的侧梁(16- 的一端连接，每个侧梁(16- 的另一端与第二铰链单元(18- 连接且该第二铰链单元(18- 各与剩余的U形铰链(16)的底梁(16-1)连接，三个U形铰链(16)呈品字形设置，位于左侧的两个U形铰链(16)各与一个第二连接梁(17)连接，每个第二连接梁(17)的中部通过一个第一铰链单元(18-1)均与第一连接梁(1 连接。
全文摘要
纳米级微拉伸装置，它涉及一种微拉伸装置。解决现有的拉伸装置外形结构尺寸大、试件测试精度差和安装困难问题。底板上分别装有支撑板和三维位移台，支撑板上分别装有柔性铰链和L形盖板，动载物台为L形，L形动载物台的水平段竖直设置且与柔性铰链的侧壁连接，三维位移台的Z向调整螺杆与静载物台连接，动载物台和静载物台上均装有载物片，压电陶瓷座固装在L形盖板的竖直段上，压电陶瓷设在压电陶瓷座内，压电陶瓷底部与锥孔螺钉连接，顶球设在锥孔螺钉与压电陶瓷座的锥槽中，压电陶瓷的顶部与压电陶瓷连接帽连接，预紧螺帽穿过L形盖板的竖直段与压电陶瓷连接帽对应设置，每个载物片上设有螺纹孔和多个凹槽。本发明用于微构件的拉伸测试。
文档编号G01N3/16GK102507339SQ201110331820
公开日2012年6月20日 申请日期2011年10月27日 优先权日2011年10月27日
发明者何彬, 卢礼华, 梁迎春, 白清顺 申请人:哈尔滨工业大学