專利名稱：一種微構件摩擦力測試儀的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于精密測量領域，涉及一種對用微細加工方法制作的微機械構件進行摩擦力測量儀器的改進。
目前國內外使用的微小摩擦力測試儀器主要有利用在Tabor等人研制的表面力儀SFA的基礎上加入摩擦力測量功能的裝置，Alsten和Granick提出的用壓電晶體驅動橫向運動和摩擦力測量的方案，還有美國IBM公司的Almaden研究中心的Mate和Mcclelland等人首先在原子力顯微鏡上附加了橫向力測量裝置，將AFM改裝成FFM，并成功地用于研究石墨表面原子尺度的摩擦特性和粘滑現像。Mate等人是利用光干涉方法檢測摩擦力，光束與X軸平行射到鎢絲探針端部，根據光干涉圖像檢測鎢絲探針沿X方向的變形位移量，再由鎢絲的彈性剛度即可確定摩擦力。Digital Instrument公司生產的MultiMode SPM具有多種分析測試功能，其中包括摩擦力顯微鏡，該產品是同類儀器中高檔品種，已經形成系列化。主要包括減振工作臺1、摩擦力測試儀主體2、光學顯微鏡及CCD系統3、監視器4、控制系統5，摩擦力測試主體2它由激光器、鎢絲探針組成，以上方法只能用來測量光滑表面的摩擦力，對于具有三維結構的微機械摩擦還無法進行測量。
本實用新型的目的在于解決微機械構件的摩擦力測量，為消除由于微構件表面復雜的三維結構對摩擦力測量過程產生的影響，解決已有技術對具有三維結構的微機械構件摩擦力無法進行測量的問題，從而提供一種新型的微構件摩擦力測試儀。
本實用新型詳細內容包括如圖1所示減振工作臺、摩擦力測試主體、光學顯微鏡及CCD系統、監視器、控制系統，其中摩擦力測試主體部分由圖2所示，還包括垂直逼近系統、X和Y方向粗調機構、X和Y方向精密掃描機構、樣片承載機構、光電接收器調節機構、光電接收器、二級反射鏡、一級反射鏡、激光器、入射光調整機構、懸臂梁支架，微懸臂、微探針組成，垂直逼近系統中固定一個步進電機，X和Y方向粗調機構置于垂直逼近系統的上表面，X和Y方向粗調機構的上面由四個螺孔通過螺栓與X和Y方向精密掃描機構聯接在一起，樣片承載片與X和Y方向精密掃描機構本體磁性聯接在一起，微懸臂的本體上制備有微探針，微懸臂與懸臂梁支架通過粘性材料粘貼在一起，光電接收器、二級反射鏡、一級反射鏡、激光器分別固定在殼體上，一級反射鏡置于保證激光器發出的激光光束射到微懸臂一端部的上表面上，二級反射鏡置于保證微懸臂反射的光束進入光電接收器的接收面上，光電接收器調節機構、光電接收器、激光器與入射光調整機構分別通過螺栓聯接在一起。
本實用新型的工作原理當控制系統通電后，將激光器和垂直逼近系統的步進電機電源打開，將被測試樣片固定在樣片承載機構上。調整使激光器發出的激光經過一級反射鏡、微懸臂、二級反射鏡正確到達光電探測器，調節光電探測器使接收初始電流值為0。啟動步進電機進行Z方向逼近，由控制系統自動進行調整逼近狀態并在已經逼近后進行提示。出現逼近提示后，啟動X、Y方向精密掃描機構，通過激光束在微懸臂表面的反射光，由光電探測器得到微懸臂在掃描過程中由于摩擦力而產生的變形，光電探測器輸出的電信號經過前置放大后，微懸臂的法向信號同時被輸出到控制系統中的反饋電路和數字采集電路，微懸臂的橫向信號被輸出到控制系統中經過放大由數字采集電路進入計算機成像，得到摩擦力圖像，則完成對三維結構的微機械摩擦的測量。
本實用新型克服了已有技術采用鎢絲探針只能用來測量光滑表面的摩擦力，對于具有三維結構的微機械摩擦還無法進行測量的問題，由于采用獨特的微懸臂和微探針進行測量，使微加工樣片表面三維結構下的摩擦力得到真實反映，同時可以針對不同材料樣片選用不同的微探針。由于微構件表面是由一定三維圖形組成的立體結構，本實用新型對于在此種條件下的摩擦力測量提供一種簡易而方便的解決辦法，消除了由于微構件表面復雜三維結構而對摩擦力測量過程產生的影響，從而提供一種新型的微構件摩擦力測試儀。
圖1是本實用新型結構示意圖圖2是本實用新型摩擦力測試主體部分的結構主視圖本實用新型的實施例如圖1、圖2所示圖中為減振工作臺1、摩擦力測試主體2、光學顯微鏡及CCD系統3、監視器4、控制系統5、垂直逼近系統6、X和Y方向粗調機構7、X和Y方向精密掃描機構8、樣片承載機構9、光電接收器調節機構10、光電接收器11、二級反射鏡12、一級反射鏡13、激光器14、入射光調整機構15、懸臂梁支架16、微懸臂17、微探針18。
減振工作臺1可以采用簡易方法自行制作，主要利用細砂、刨花、大理石板及橡膠墊制成。光學顯微鏡及CCD系統3是在市場上購買帶CCD輸出的顯微鏡系統。監視器4是購買的監視器。控制系統5是自行設計制作的控制系統以及計算機。摩擦力測試主體2由上下兩部分組成，上半部分包括激光器14、微懸臂夾具16、微懸臂17、四像限光斑位置光電接收器11以及光電接收器調節機構10、二級反射鏡12、一級反射鏡13、入射光調整機構15組成。下半部分包括樣片承載機構9、X和Y方向精密掃描機構8中壓電陶瓷管、X和Y方向粗調機構7以及垂直逼近系統6。激光器14采用購買可見光波段的半導體激光器，從激光器14發出的光束經前反射鏡13反射后，光斑落在微懸臂17本體自由端的鏡面上，再經角度可調節的后反射鏡12反射到四像限光電接收器11。微懸臂17為三角形結構，材料為Si3N4，背面有鍍金鏡面，其自由端有一個金字塔形的微探針18。光電接收器11是由一個四像限光電池組成的位置靈敏檢測器。
X、Y方向掃描系統8主要由壓電陶瓷構成，壓電陶瓷管外壁的電極被分成四等份，管子內壁為一整體電極，在其中某電極上施加電壓，管子的相應部分就會伸長或收縮，使壓電陶瓷管彎曲。通過在相臨的兩個電極上按一定規律施加電壓就可實現X-Y方向的相互垂直的移動，在Z方向上的運動是通過在管子內壁電極施加電壓使管子整體收縮實現。
垂直方向逼近系統6采用步距角為0.3度的精密步進電機，步進電機帶動一個密螺紋螺桿旋轉，從而使探頭的上半部分升降來實現樣品臺同微探針間距的調節。當樣片承載機構9與微探針18之間的間距達到設定的工作距離時，即反射光斑在光電接收器11上移動產生的光位移電流超過預設的參考電流時，控制系統5自動發出一負脈沖信號，使步垂直方向逼近系統6的步進電機自動關閉，系統進入工作狀態。在步進電機的控制下，樣片承載機構9可單步升降和連續多步的快速升降。
適合測量帶有微米級三維結構的樣片的摩擦特性，微懸臂17與懸臂梁支架16可以調節，針對不同材料的微構件樣片要更換為相應的微懸臂和微探針。
權利要求1.一種微構件摩擦力測試儀，它包括減振工作臺1、光學顯微鏡及CCD系統3、監視器4、控制系統5，其特征在于還包括垂直摩擦力測試主體2既由逼近系統6、X和Y方向粗調機構7、X和Y方向精密掃描機構8、樣片承載機構9、光電接收器調節機構10、光電接收器11、二級反射鏡12、一級反射鏡13、激光器14、入射光調整機構15、懸臂梁支架16，微懸臂17、微探針18組成，垂直逼近系統6中固定一個步進電機，X和Y方向粗調機構7置于垂直逼近系統6的上表面，X和Y方向粗調機構7的上面由四個螺孔通過螺栓與X和Y方向精密掃描機構8聯接在一起，樣片承載片9與X和Y方向精密掃描機構8本體磁性聯接在一起，微懸臂17的本體上制備有微探針18，微懸臂17與懸臂梁支架16通過粘性材料粘貼在一起，光電接收器11、二級反射鏡12、一級反射鏡13、激光器14分別固定在殼體19上，反射鏡13置于保證激光器14發出的激光光束射到微懸臂17一端部的上表面上，反射鏡12置于保證微懸臂17反射的光束進入探測器11的接收面上，光電接收器調節機構10、光電接收器11、激光器14與入射光調整機構15分別通過螺栓聯接在一起。
專利摘要本實用新型涉及一種對微機械構件進行摩擦力測量儀器的改進。它包括減振工作臺、摩擦力測試主體、光學顯微鏡及CCD系統、監視器、控制系統。本實用新型由于采用獨特微懸臂和微探針進行測量,使微加工樣片表面三維結構下的摩擦力得到真實反映,同時可以針對不同材料樣片選用不同的微探針。由于微構件表面是由一定三維圖形組成的立體結構,本實用新型對于在此種條件下的摩擦力測量提供一種簡易而方便的解決辦法,消除了由于微構件表面復雜三維結構而對摩擦力測量過程產生的影響,從而提供一種新型的微構件摩擦力測試儀。
文檔編號G01N3/40GK2453429SQ0026476
公開日2001年10月10日 申請日期2000年12月14日 優先權日2000年12月14日
發明者吳一輝, 鞠揮, 賈宏光, 郭占社, 黎海文 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所
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