[发明专利]一种压电驱动微拉伸测试装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种压电驱动微拉伸测试装置，属于微纳机电系统中微纳尺度下材料的力学性能测试领域。

背景技术

微机械电子系统中，研究微尺度下材料的力学性能有助于微机械电子系统的结构设计、功能实现与可靠性分析。然而微纳尺度下材料的力学性能研究远远落后于其电学性能、光学性能等其它物理性能的研究，主要原因是在微纳米尺度下影响微纳尺度下材料力学性能的因素趋于多样化，材料的力学性能受尺度效应、微加工工艺的影响，已不能用相应的宏观理论来表征。微纳米力学测试中被测试样的特征尺寸在微纳米量级，力学测试装置趋于复杂化、微型化。这些因素要求微纳尺度下材料的力学性能测试精度更高。常规的力学测试方法有单轴拉伸法，微梁弯曲法、纳米压痕法和微梁振动法等。由于单轴拉伸法可直接测试材料应力-应变关系，具有实验数据易于分析说明，实验数据通用性强，可测量弹性模量，泊松比，屈服强度和断裂强度等优点，所以它已成为微尺度下力学特性测试最常用的测试方法之一。

经过对现有技术文献的检索发现，美国专利号US 7258022 B2，名称为“Micro-tensile Testing System”的专利，公开了一种微拉伸测试系统，其特征是采用2个或以上激光测微仪检测试样的拉伸变形。但该测试系统结构较复杂，所需设备较昂贵，可平滑升级性较难。中国专利授权号 CN 101241057 B，名称为“薄膜材料微拉伸测试系统”的专利，公开了一种微拉伸测试系统，其特征是采用电磁驱动，激光测微仪与并联蛇形弹簧力学传感器测量试样的轴向变形与轴向拉力。其不足之处是该系统要求的被测试样结构复杂，制作难度大，并且力学传感器不能直接测量被测试样上的拉伸力。中国专利公开号101216390，名称为“微构件力学性能片外拉伸测试实验台”的专利，其特征是采用微力检测单元直接检测试样上的拉力，位移传感器测量压电驱动单元的驱动位移。其不足之处是驱动位移包含试样的轴向伸长量与拉力传感器的变形量，不仅降低施加在试样上的有效拉伸位移，而且增加了试样伸长量的测量难度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：1.被测拉伸试样上的轴向变形量与轴向拉力同时直接测量困难；2.现有测试系统复杂所需设备昂贵，可平滑升级性较难，为解决上述问题，提供一种压电驱动微拉伸测试装置。

本发明的目的是以下述方式实现的：

一种压电驱动微拉伸测试装置，包括压电驱动单元、微型拉力传感器、微位移检测单元、位置调整单元、光学显微成像单元及底座，所述的位置调整单元包括一个四自由度微动台和一个三自由度微动台，四自由度微动台安装在底座的左侧，三自由度微动台安装在底座的右侧；压电驱动单元通过转接板固定在四自由度微动台上，压电驱动单元的位移输出端连接微型拉力传感器的固定端，微型拉力传感器的检测段通过螺栓连接动载物台，静载物台安装在三自由度微动台的工作面上；动载物台与静载物台在同一平面上，被拉伸试件的两端分别于动载物台和静载物台相连；微位移检测单元由电容式位移传感器探测头、L型检测板与位移传感器支架组成；位移传感器支架底部固定在底座上，L型检测板短臂粘固在动载物台的下面；电容式位移传感器探测头中部穿过位移传感器支架上部的光孔，通过顶丝从外侧将电容式位移传感器探测头紧固；L型检测板的长臂表面与电容式位移传感器探测头的端面均呈竖直放置且保持平行，通过调节四自由度微动台使L型检测板的长臂表面与位移传感器探测头的端面之间的距离在安装范围之内。

所述的四自由度微动台的四自由度为X轴、Y轴的移动及X轴、Z轴的旋转。

所述的三自由度微动台的三自由度为X轴、Y轴、Z轴的移动。

所述的压电驱动单元包括压电叠堆致动器，压电叠堆致动器设置在具有位移放大功能且结构对称的封装体的对称轴上，压电叠堆致动器关于封装体的对称轴对称，压电驱动单元的输出位移与压电驱动单元的位移驱动方向相反或垂直。

所述的具有位移放大功能且结构对称的封装体是指封装体采用对称式柔性杠杆放大机构，对称轴的两侧各分布位移放大杠杆与柔性铰链，杠杆的位移输出通过两个平行连杆与柔性铰链传动到封装体的位移输出端，位移输出端采用单个螺纹孔连接；压电叠堆致动器由U型框架包围，通过位于U型框架的底部框架中的预紧螺钉对压电叠堆致动器施加预紧力；U型框架的两侧框架各有用于固定压电驱动单元的两个螺纹孔。