微构件综合力学性能测试装置制造方法及图纸

微构件综合力学性能测试装置，涉及一种微构件力学性能测试装置。本发明专利技术可实现对微米尺度构件的力学性能静态参量测量及疲劳特性的探究。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。本发明专利技术用于微构件综合力学性能测试。

【技术实现步骤摘要】
微构件综合力学性能测试装置
本专利技术涉及一种微构件力学性能测试装置。
技术介绍
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、三维微运动情况、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。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对目前微构件力学性能测试系统的缺点与不足，提供一种针对高弹性合金微构件的综合力学性能测试系统，实现对微米尺度构件的力学性能静态参量测量及疲劳特性的探究。本专利技术解决上述问题采取的技术方案是:本专利技术的微构件综合力学性能测试装置，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。本专利技术相对于现有技术的有益效果是:本专利技术将动态测试与静态测试结合起来，通过动态测试系统对微构件的高频疲劳激振，采用半闭环的控制方案实现金刚石压头在竖直方向的位置精确控制，极大的提高了对中的准确性。通过微拉伸测试系统对微构件进行原位拉伸测试，在原位观测系统的辅助下，实现动静载物台的对中，微构件加持可靠；采用高精度的力传感器器(精度5mN)，实现载荷的精确测量(精度可达5mN);采用高精度光栅检测试件的微位移，分辨率高(分辨率为5nm)，便于安装调试。该装置不仅实现静态参量的测量，如弹性模量、屈服强度、断裂强度的测量，而且还能实现对高频疲劳特性的探究，如疲劳强度。【附图说明】图1是本专利技术的微构件综合力学性能测试装置的测试原理示意图，图中丨箭头所示方向为交变载荷方向，箭头所示方向为拉伸载荷方向； 图2是本专利技术的微构件综合力学性能测试装置总体装配图； 图3是图1中的微拉伸系统装配图； 图4是图3中的微拉伸系统的水平精密驱动单元装配图； 图5是图3的A处局部放大图； 图6是图1中的动态测试系统的竖直精密驱动单元装配图； 图7是图1的B处局部放大图。上述图中涉及到的部件名称及标号分别为: 原位观测系统1、CCD相机1-1、夹具1-2、变倍缩放镜头1-3、微拉伸测试系统2、水平精密驱动单元2-1、第一柔性铰链机构2-1-1、第一预紧螺钉2-1-2、第一压电陶瓷2-1-3、第一垫片2-1-4、钢珠2-1-5、第一安装孔2-1-6、微力传感器2_2、水平直线光栅测量装置2_3、光栅尺读数头安装架2-3-1、读数头2-3-2、光栅尺2-3-3、水平高精度电移台2_4、左载物平台2-4-1、右载物平台2-4-2、丝杠螺母副2-4-3、L形底座2_4_4、支撑座2_4_5、步进电机2-4-6、左滑块2-4-7、右滑块2-4-8、导轨2_4_9、水平载物台2_5、动载物台2_5_1、静载物台2-5-2、力传感器固定块2-6、固定件2-7、辅助机械系统3、Y向运动平台3_1、X向运动平台3-2、大理石隔振平台3-3、大理石立柱3-4、大理石横梁3-5、动态测试系统4、竖直高精度电移台4-1、竖直精密驱动单元4-2、第二预紧螺钉4-2-1、第二柔性铰链机构4-2-2、第二安装孔4-2-3、竖直直线光栅测量装置4-2-4、金刚石压头4-2-5、第二压电陶瓷4-2-6、第二垫片4-2-7、微构件5。【具体实施方式】【具体实施方式】一:如图2、图7所示，微构件综合力学性能测试装置，它包括原位观测系统1、微拉伸测试系统2、辅助机械系统3和动态测试系统4 ;所述的机械辅助系统3包括X-Y 二维运动平台、大理石隔振平台3-3、大理石横梁3-5和两个大理石立柱3-4，所述的X-Y 二维运动平台设置在大理石隔振平台3-3上面，且X-Y 二维运动平台的Y向运动平台3-1设置在X向运动平台3-2上面，所述的微拉伸测试系统2安装在Y向运动平台3-1上面，所述的动态测试系统4安装在大理石横梁3-5前侧面上，所述的大理石横梁3-5的两端各通过一个所述的大理石立柱3-4支撑，且两个大理石立柱3-4的下端固定在大理石隔振平台3-3上面，所述的原位观测系统I安装在动态测试系统4的竖直高精度电移台4-1上。【具体实施方式】二:如图2、图3及图5所示，【具体实施方式】一所述的微构件综合力学性能测试装置，所述的微拉伸测试系统2包括水平精密驱动单元2-1、微力传感器2-2、水平直线光栅测量装置2-3、水平高精度电移台2-4、水平载物台2-5、力传感器固定块2-6、两个固定件2-7，所述的水平高精度电移台2-4包括左载物平台2-4-1、右载物平台2-4-2、丝杠螺母副2-4-3、L形底座2-4-4、支撑座2_4_5、步进电机2_4_6、四个左滑块2_4_7、四个右滑块2-4-8、两根导轨2-4-9，所述的水平载物台2-5包括动载物台2_5_1和静载物台2-5-2，所述的水平直线光栅测量装置2-3包括光栅尺读数头安装架2-3-1、读数头2_3_2和光栅尺2-本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微构件综合力学性能测试装置，其特征是：它包括原位观测系统（1）、微拉伸测试系统（2）、辅助机械系统（3）和动态测试系统（4）；所述的机械辅助系统（3）包括X‑Y二维运动平台、大理石隔振平台（3‑3）、大理石横梁（3‑5）和两个大理石立柱（3‑4），所述的X‑Y二维运动平台设置在大理石隔振平台（3‑3）上面，且X‑Y二维运动平台的Y向运动平台（3‑1）设置在X向运动平台（3‑2）上面，所述的微拉伸测试系统（2）安装在Y向运动平台（3‑1）上面，所述的动态测试系统（4）安装在大理石横梁（3‑5）前侧面上，所述的大理石横梁（3‑5）的两端各通过一个所述的大理石立柱（3‑4）支撑，且两个大理石立柱（3‑4）的下端固定在大理石隔振平台（3‑3）上面，所述的原位观测系统（1）安装在动态测试系统（4）的竖直高精度电移台（4‑1）上。

【技术特征摘要】
1.一种微构件综合力学性能测试装置，其特征是:它包括原位观测系统(I)、微拉伸测试系统(2)、辅助机械系统(3)和动态测试系统(4);所述的机械辅助系统(3)包括X-Y 二维运动平台、大理石隔振平台(3-3)、大理石横梁(3-5)和两个大理石立柱(3-4)，所述的X-Y 二维运动平台设置在大理石隔振平台(3-3)上面，且X-Y 二维运动平台的Y向运动平台(3-1)设置在X向运动平台(3-2)上面，所述的微拉伸测试系统(2)安装在Y向运动平台(3-1)上面，所述的动态测试系统(4)安装在大理石横梁(3-5)前侧面上，所述的大理石横梁(3-5 )的两端各通过一个所述的大理石立柱(3-4)支撑，且两个大理石立柱(3-4)的下端固定在大理石隔振平台(3-3)上面，所述的原位观测系统(I)安装在动态测试系统(4)的竖直高精度电移台(4-1)上。2.根据权利要求1所述的微构件综合力学性能测试装置，其特征是:所述的微拉伸测试系统(2)包括水平精密驱动单元(2-1)、微力传感器(2-2)、水平直线光栅测量装置(2-3)、水平高精度电移台(2-4)、水平载物台(2-5)、力传感器固定块(2-6)、两个固定件(2-7)，所述的水平高精度电移台(2-4)包括左载物平台(2-4-1)、右载物平台(2-4-2)、丝杠螺母副(2-4-3)、L形底座(2-4-4)、支撑座(2-4-5)、步进电机(2-4-6)、四个左滑块(2-4-7)、四个右滑块(2-4-8)、 两根导轨(2-4-9)，所述的水平载物台(2-5)包括动载物台(2-5-1)和静载物台(2-5-2)，所述的水平直线光栅测量装置(2-3)包括光栅尺读数头安装架(2-3-1)、读数头(2-3-2)和光栅尺(2-3-3)，所述的L形底座(2-4-4)的长板水平且沿X向设置，所述的两根导轨(2-4-9)平行于L形底座(2-4-4)的长边并固定在L形底座(2-4-4)的长板上；所述的左载物平台(2-4-1)和右载物平台(2-4-2)左右并列设置，所述的水平精密驱动单元(2-1)固定在右载物平台(2-4-2)上表面，所述的动载物台(2-5-1)与水平精密驱动单元(2-1)的左侧面固定连接，所述的静载物台(2-5-2)与动载物台(2-5-1)相邻且相对应设置，静载物台(2-5-2)与动载物台(2-5-1)的上表面对应位置分别加工有一用于固定微构件(5)的定位槽；所述的静载物台(2-5-2)、微力传感器(2-2)及力传感器固定块(2-6)由右至左依次设置在左载物平台(2-4-1)的上表面，且静载物台(2-5-2)与微力传感器(2-2)固定连接，微力传感器(2-2)与力传感器固定块(2-6)固定连接，力传感器固定块(2-6)与左载物平台(2-4-1)的上表面固定连接，所述的光栅尺(2-3-3)安装在水平精密驱动单元(2-1)的前侧面或后侧面上，右载物平台(2-4-2)上与光栅尺(2-3-3)位于同侧的侧面上固定有读数头安装架(13)，所述的度数头(15)与光栅尺(2-3-3)相对设置并固定在读数头安装架(13)上；所述的右载物平台(2-4-2)的下表面与丝杠螺母副(2-4-3)的螺母固定连接，丝杠螺母副(2-4-3)的丝杠一端与支撑座(2-4-5)转动连接，丝杠螺母副(2-4-3)的丝杠另一端与L形底座(2-4-4)的短板转动连接，支撑座(2_4_5)与L形底座(2-4-4)的长板固定连接，右载物平台(2-4-2)的下表面与呈矩形设置的四个右滑块(2-4-8)固定连接，四个右滑块(2-4-8)与两根导轨(2-4-9)滑动连接，所述的步进电机(2-4-6)固定于L形底座(2-4...

【专利技术属性】
技术研发人员：车琳，王波，李国，丁飞，王石磊，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23