[发明专利]一种基于微镊的粘附力测试方法

摘要

本发明涉及新材料研发领域，一种基于微镊的粘附力测试方法，基于微镊的粘附力测试装置包括基座、位移台I、力学测量单元、激光位移计、悬臂、相机架、照相机、位移台II、衬底、颗粒样品、微镊、致动器、位移台III、支架、光学显微镜、计算机和电缆，基于微机电系统驱动的微镊与原子力显微镜的悬臂，用于测量单个微颗粒的粘附力，将微机电系统驱动的微镊与原子力显微镜的悬臂相结合，通过微镊夹住微粒后与悬臂接触来测量单个微颗粒的粘附力，实验过程中无需环氧树脂来固定待测微粒，提高测量精度，能节省测量时间，测量准确度高。

主权项

1.一种基于微镊的粘附力测试方法，基于微镊的粘附力测试装置包括基座(1)、位移台I(2)、力学测量单元(3)、激光位移计(4)、悬臂(5)、相机架(6)、照相机(7)、位移台II(8)、衬底(9)、颗粒样品(10)、微镊(11)、致动器(12)、位移台III(13)、支架(14)、光学显微镜(15)、计算机和电缆，xyz为三维坐标系，位移台I(2)、相机架(6)、位移台II(8)和支架(14)依次连接于基座(1)上面，位移台I(2)、相机架(6)、微镊(11)、致动器(12)和位移台III(13)分别电缆连接计算机，力学测量单元(3)安装于位移台I(2)上面，通过计算机控制位移台I(2)，能够使得力学测量单元(3)分别在xyz三个方向直线移动，悬臂(5)是具有固定端和活动端的金属片，固定端固定于力学测量单元(3)的上面，在不受外力的情况下，固定端与活动端位于同一水平面，激光位移计(4)连接于力学测量单元(3)的侧面，并且激光位移计(4)位于悬臂(5)的活动端下方的20毫米处，用于监测悬臂(5)的活动端在y方向的位移；照相机(7)安装于相机架(6)上，用于监测悬臂(5)的形变，通过计算机控制相机架(6)能够使得照相机(7)分别在xyz三个方向直线移动；衬底(9)位于位移台II(8)上，衬底(9)上面吸附有颗粒样品(10)；位移台III(13)和光学显微镜(15)自下而上安装于支架(14)上，位移台III(13)和光学显微镜(15)的位置均能够通过支架(14)进行调节，致动器(12)安装于位移台III(13)的下面，通过计算机控制位移台III(13)能够使得致动器(12)分别在xyz三个方向直线移动，通过计算机对致动器(12)施以不同电压，能够使得致动器(12)在y方向伸缩，微镊(11)固定于致动器(12)的下面，微镊(11)的前端具有两个操纵指，通过计算机控制微镊(11)能够使操纵指开启或闭合，操纵指能够抓取颗粒样品(10)，被抓取测试的颗粒样品(10)称为待测微粒，微镊(11)具有微机电力传感器，微机电力传感器能够将测得的微镊(11)受到的力的信息传输入计算机；悬臂(5)为原子力显微镜的悬臂，悬臂(5)的长度为250微米、宽度为30微米、厚度为0.9微米，悬臂(5)的弹性系数为0.09牛/米，颗粒样品(10)的尺寸范围为0.5微米到5微米，微镊(11)由硅材料微加工制成，微镊(11)前端的两个操纵指之间最大间隙为8微米，两个操纵指之间能够施加的最大力为400微牛，致动器(12)由压电陶瓷制成，致动器(12)在y方向的最小伸缩步进为50纳米，其特征是：所述的一种基于微镊的粘附力测试方法的步骤为：步骤一，通过支架(14)调节光学显微镜(15)的位置，使光学显微镜(15)位于衬底(9)的正上方，用于观测衬底(9)表面的情况及微镊(11)的移动情况，通过支架(14)调节位移台III(13)的位置，使位移台III(13)位于衬底(9)的侧上方，通过计算机控制位移台III(13)及致动器(12)，使得微镊(11)移动至衬底(9)的正上方200微米处；步骤二，通过计算机控制，使致动器(12)在y方向伸长，并使得微镊(11)的前端移动至与衬底(9)表面相接触，然后，通过计算机控制，使致动器(12)在y方向收缩，并使得微镊(11)的前端向上移动1微米；步骤三，通过计算机控制位移台III(13)，使得微镊(11)在水平面内移动，并使得微镊(11)前端的两个操纵指位于一个待测微粒的两侧，通过计算机控制微镊(11)前端的操纵指进行闭合操作，使得两个操纵指将待测微粒夹住；步骤四，通过支架(14)调节光学显微镜(15)的位置，使得光学显微镜(15)位于悬臂(5)正上方，用于观测悬臂(5)的形变情况及微镊(11)的移动情况，通过支架(14)调节位移台III(13)的位置，使位移台III(13)位于悬臂(5)的侧上方，通过计算机控制位移台III(13)，使得致动器(12)及微镊(11)移动至悬臂(5)的正上方200微米处；步骤五，通过计算机控制，使致动器(12)在y方向伸长，并使得微镊(11)前端的待测微粒自上而下以2微米/秒速度移动，直到与悬臂(5)活动端的上表面接触，同时，微镊(11)中的微机电力传感器测得微镊(11)的受力发生变化，或者激光位移计(4)测得悬臂(5)活动端产生了沿y负方向的移动，则说明待测微粒与悬臂(5)接触；步骤六，通过计算机控制，使致动器(12)在y方向伸长，并使得微镊(11)前端的待测微粒继续自上而下以0.5微米/秒速度移动，直到激光位移计(4)测得的悬臂(5)的活动端向下偏离初始位置为1微米；步骤七，通过计算机控制位移台I(2)，使得力学测量单元(3)带动悬臂(5)的固定端沿y负方向以0.5微米/秒速度移动，直到待测微粒与悬臂(5)分离；步骤八，通过激光位移计(4)记录悬臂(5)的活动端在y方向的位移，并得到悬臂(5)的活动端与待测微粒分离的时刻在y方向的位置y₁，计算得到悬臂(5)的活动端的偏向距离Δy＝y₁‑y₀，其中y₀为悬臂(5)的活动端在不受外力时在y方向的初始位置；步骤九，通过悬臂(5)的弹性系数和悬臂(5)的活动端与待测微粒分离时刻的偏向距离Δy的乘积，从而得到待测微粒在悬臂(5)表面的粘附力。