[发明专利]静电预加载的微纳材料力学性能检测结构

说明书

技术领域

本发明涉及微纳材料力学测试技术领域，具体涉及一种静电预加载的微纳材料力学性能检测结构。

背景技术

随着微纳米技术的快速发展，微尺度材料和结构在各个领域得到了广泛的应用，如材料科学、微电子、生物、医学以及微机电系统等等。而当材料的尺寸减小到微纳米尺度时，由于一些物理化学效应，导致结构发生一些变化，使得它的材料特性与宏观尺度的截然不同，那么对这些微纳米尺度的材料和结构的力学性能研究就变得十分重要。

研究微纳材料力学性能时，被测量的微力达到微牛乃至皮牛量级，且微力测量需要有非常高的灵敏度。传统的加载块和测力块已经无法适用，所以研究适用于微纳米尺度实验研究的设备成为必要。

由胡克定律F=k*x可知，为达到高分辨率的力，就要降低弹簧常数k，或者增加位移分辨率。例如，对于现有商业AFM探针显微镜，已有埃量级的位移分辨率，弹簧常数已经达到0.1～0.01N/m，而对这些传统的悬臂式传感器来说，提高力分辨率是非常困难的，因为进一步减小弹簧常数会受到内部的热燥以及结构不稳定等因素影响；而位移分辨率几乎已经不能再提高。况且这种悬臂式探针传感器灵敏方向是垂直于悬臂梁的，和极坐标式的微纳米操纵仪配合使用，在小变形的情况下可以近似为直线加载，但当位移较大的时候，显然是沿弧线加载的。而配合直角坐标式的微纳米加载平台，需要轴向敏感的微力检测结构。

由材料力学知道，对于细长杆受轴向压力作用，当轴向压力值超过临界载荷的时候，会发生突然的横向失稳，之后，轴向力增加微小值时，沿杆轴向有很小的位移，而沿杆的横向会发生很大的变形，能比轴向的高两个数量级，从而可以利用横向的大变形放大轴向的微小变形。而注意到压杆横向变形的方向是与压杆上缺陷和压杆形状有关，所以，可采用初始利用矩形截面杆并在杆中间部位预制缺陷的方法，使得结构能沿所希望的方向屈曲。

已公开的文献提出的屈曲式微力检测结构，需在传感器制作完成后，通过驱动压电陶瓷施加预屈曲力，使细长压杆发生屈曲，推动中间刚性连接块体，从而对试件进行拉伸，再在此基础上进行微力测量。这样的屈曲加载装置，操作困难、难度较大、重复性差、成本高，不利于后屈曲微力检测传感结构的使用。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种适用于微纳材料力学性能检测的静电预加载的微纳材料力学性能检测结构。

为了实现上述目的，根据本发明实施例的静电预加载的微纳材料力学性能检测结构，可以包括:后屈曲式微力检测结构和静电式屈曲预加载结构,所述后屈曲式微力检测结构与所述静电式屈曲预加载结构相连，其中，所述静电式屈曲预加载结构被构造为加载电压后能够利用静电作用力引发内部构件变形以实施预加载；所述后屈曲式微力检测结构被构造为当所述静电式屈曲预加载结构未实施预加载时，所述后屈曲式微力检测结构处于自然的无加载状态，当静电式屈曲预加载结构实施预加载时，所述后屈曲式微力检测结构被轴向压缩，处于预加载屈曲平衡状态，然后所述后屈曲式微力检测结构受到试件的轴向微力作用，所述预加载屈曲平衡状态发生改变，使所述后屈曲式微力检测结构发生放大的横向结构变化，从而实现微力检测。

根据本发明实施例的静电预加载的微纳材料力学性能检测结构，整体结构尺寸小、结构稳定、可靠性高，可重复使用，制造比较容易；对轴向微力非常敏感，力分辨率超高，横向变形可控制；有预加载功能，能够通过控制电压使检测结构进入测量所需的后屈曲状态，非常适用于微纳材料力学性能检测。

另外，根据本发明实施例的静电预加载的微纳材料力学性能检测结构还可以具有如下附加技术特征：