[发明专利]力学性能测试装置及用该装置测试微构件力学特性的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种力学性能测试装置及测试微构件力学特性的方法。

背景技术

惯导系统高弹性合金微构件在地面加载测试中极易断裂失效，惯性传感器中微构件的特征尺寸大致在亚微米到毫米的范围内。当细微到微米/纳米尺度后，由于尺寸效应，微构件材料本身的物理性质及其受环境影响的程度等都会发生很大改变，其力学特性以及所受体积力和表面力的相对关系等也会发生显著的变化。宏观条件下材料的力学性能参数已远远不能满足MEMS系统结构的设计要求，而由微小试件带来的一系列等技术问题使得传统的测试方法和装置也已不再适用。

近年来，国内外学者越来越重视微构件材料力学性能的研究，提出了一些新的测试方法和测试装置。但是，各种方法测得的数据分散性较大，甚至连最基础的弹性模量都没有一个一致公认的结果。在微构件设计和进行可靠性分析时，由于缺乏有关微构件材料力学性能的基础数据，目前还没有建立起一个有效的设计准则，导致成品率低，可靠性差，这严重阻碍了MEMS的发展。

微构件的力学性能测试分为静态测试和动态测试两大类。静态特性测试是测量微构件在静止状态的特性参数，常用的方法包括单轴拉伸法、纳米压痕法、鼓膜法、微梁弯曲法和衬底曲率法等。其中，最常用的方法是单轴拉伸法，微拉伸实验是测量微米级材料弹性模量、泊松比、屈服强度和断裂强度最直接的方法，拉伸实验的数据容易解释，测试结果比弯曲实验可靠。动态特性测试则是采用激励装置对器件施加特定激励信号，使器件运动起来，在器件运动过程中，测量处于运动状态的器件的动态特性变化。动态特性决定了微构件的基本性能，可以反映出微构件的材料属性、固有频率、可靠性、机械力学参数、器件失效模式以及失效机理等关键问题。

但是由于试样尺寸微小，无论是在静态测试还是动态测试中，微构件的对中、装夹、微位移驱动以及微小载荷和微位移的测量等一系列技术难题使得传统的测试方法和装置也已不再适用。目前测试装置还没有统一的标准，而且大部分测试装置结构都比较复杂，所需仪器都很昂贵，测试数据分散性很大。如何最大限度的减少测试误差，保证获得精确一致的测试结果，提高测试效率，使测试数据能够迅速加以处理而进行反馈监控或直接应用于生产实践，这些问题对科研人员来说是亟待突破的难关也是挑战。

发明内容

本发明的目的在于针对目前微构件力学特性测试困难的问题，提供一种力学性能测试装置及用该装置测试微构件力学特性的方法，能够测试不同工作条件下的微构件的力学特性。

本发明解决上述问题采取的技术方案是：

本发明的力学性能测试装置，它包括原位观测系统、微拉伸测试系统、辅助机械系统和动态测试系统；所述的机械辅助系统包括X-Y二维运动平台、大理石隔振平台、大理石横梁和两个大理石立柱，所述的X-Y二维运动平台设置在大理石隔振平台上面，且X-Y二维运动平台的Y向运动平台设置在X向运动平台上面，所述的微拉伸测试系统安装在Y向运动平台上面，所述的动态测试系统安装在大理石横梁前侧面上，所述的大理石横梁的两端各通过一个所述的大理石立柱支撑，且两个大理石立柱的下端固定在大理石隔振平台上面，所述的原位观测系统安装在动态测试系统的竖直高精度电移台上；所述的动态测试系统包括竖直高精度电移台和竖直精密驱动单元，所述的竖直精密驱动单元安装在竖直高精度电移台的载物台上。

本发明的利用力学性能测试装置测试微构件力学特性的方法，所述的方法包括如下步骤：

步骤一：在洁净、恒温的实验环境下，打开所述的力学性能测试装置的控制系统总电源，保持第一压电陶瓷和第二压电陶瓷的驱动电源提前预热10分钟，调整好动载物台和静载物台在X-Y方向的位置，用镊子将微构件取出，用胶粘在动载物台和静载物台的定位槽内；

步骤二：调整金刚石压头的位置，使得金刚石压头刚好与所述的微构件中心的目标位置接触；

步骤三：通过动态测试系统对竖直精密驱动单元的第二压电陶瓷驱动电源进行控制，驱动金刚石压头对微构件产生给定频率的竖直疲劳载荷激励，实时监测微拉伸测试系统的微力传感器的输出电压波形变化，当激励振动给定时间后停止，给定时间为5-60min，使金刚石压头向上运动离开微构件表面；