專利名稱：附加彈性梁的微拉伸試樣結構的制作方法
技術領域：
本發明附加彈性梁的微拉伸試樣結構，屬于微機電系統領域中的力學性能測試應用元件領域。
背景技術：
微機械電子系統中的力學性能測試技術的發展遠遠落后于微機械電子系統領域中的其它技術，主要原因是試驗測試裝置趨于復雜化、微型化，再者是影響微機械特性的因素趨于多樣化、復雜化。這些因素要求微尺度下力學量的檢測精度更高。常規的力學測試方法有微拉伸法，微梁彎曲法、納米壓痕法和微梁振動法等，單軸拉伸法可直接測試材料應力-應變關系，具有試驗數據易于分析說明，實驗數據通用性強等優點；可測量彈性模量，泊松比，屈服強度和斷裂強度。單軸拉伸法已成為微尺度下力學特性測試最常用的測試方法之一。但由于試樣的尺寸在微納米級，試樣的裝夾和定位都很困難。
常見的微拉伸測試試樣在固定端與加載端有較大的面積，以便于夾持和加載，為防止試樣夾持時損壞，試樣結構上附有保護性框架，但在測試前需切除。另一種方法是采用集成測試結構，即將驅動器與試樣加工在同一芯片內，避免了試樣夾持與定位；但是其最大缺點是極大地增加了測試結構的微加工制作難度。Haque.M.A等提出一種外部壓電驅動的集成力傳感器的拉伸測試結構，此結構中增加了支撐梁以減小試樣的非軸向變形，但是由于支撐梁承受的拉伸力的存在，作用在試樣上的拉伸力需要在測試結構內部測量，試樣上力的標定以及位移標定比較困難。
發明內容
本發明的目的是就微拉伸測試方法中存在的裝夾、對中問題，設計了附加彈性梁的拉伸試樣結構。彈性支撐梁在橫向上的剛度常數遠大于試樣軸向剛度常數，有效抑制非軸向載荷引起的扭彎應變，提高微拉伸法測試精度和可靠性。另一方面，彈性支撐梁在軸向的剛度常數又遠小于試樣軸向剛度常數，確保彈性支撐梁上承受的荷載拉力相比試樣中的可忽略不計，試樣上的拉伸力可在測試結構內部或外部檢測。將該測試結構安裝在相應的微拉伸測試裝置上可進行彈性模量，斷裂強度以及疲勞性能等測試。該附加彈性支撐梁的拉伸試樣結構采用MEMS微加工工藝制作。
本發明采用的技術方案是附加彈性梁的微拉伸試樣結構由三層不同材料固結而成，下層為基底i，中間為過渡層ii，上層為被測薄膜層iii；微拉伸試樣結構整體相對拉伸試樣2的軸線對稱；微拉伸試樣結構由固定端1，微橋狀的拉伸試樣2，加載端4組成，根據基底i刻蝕的情況有兩種微拉伸試樣結構基底i被部分刻蝕的稱為體微拉伸試樣結構；基底i沒被刻蝕的稱為面微拉伸試樣結構；其中a)、附加彈性梁的微拉伸試樣結構是體微拉伸試樣結構，其特征是，微拉伸試樣結構還具有彈性支撐部分，彈性支撐部分由1個大面積平板3，4個直線型彈性梁5、6、7、8，兩個支撐框架9和10，兩個切除標記梁11和12組成；大面積平板3左側凹口處與拉伸試樣2的一端在連接點A處相連，大面積平板3右端與加載端4中心相連；拉伸試樣2左端與固定端1中部相連；支撐框架9的左端與固定端1相連，右端通過切除標記梁11與加載端4相連；支撐框架10的左端與固定端1相連，右端通過切除標記梁12與加載端4相連；直線型彈性梁5、6的一端與大面積平板3的一個側面相連，另一端與支撐框架9連接；直線型彈性梁7、8的一端與大面積平板3的另一個側面相連，另一端與支撐框架10連接；固定端1和加載端4含有基底i，過渡層ii和待測薄膜層iii；拉伸試樣2只有待測薄膜層iii；切除標記梁11、12，支撐框架9、10，大面積平板3和直線型彈性梁5、6、7、8由部分厚度的基底i，過渡層ii和待測薄膜層iii構成；大面積平板3和直線型彈性梁5、6、7、8或只由待測薄膜層iii構成；體微拉伸試樣結構其余部分全部是空的。見附圖1，附圖2，附圖3。
b)、附加彈性梁的微拉伸試樣結構是面微拉伸試樣結構，其特征是微拉伸試樣結構也具有彈性支撐部分，彈性支撐部分由1個大面積平板3，4個直線型彈性梁5、6、7、8與4個錨點13、14、15、16組成；與大面積平板3一側相連的2個直線型彈性梁5、6的另一端分別連接錨點13、14；與大面積平板3另一側相連的兩個直線型彈性梁7、8的另一端分別連接錨點15、16；大面積平板3左側凹口處與拉伸試樣2在連接點A處相連，其右端與加載端4相連；拉伸試樣2左端與固定端1中部相連；被測薄膜層iii除了在固定端1和錨點13、14、15、16通過過渡層ii與基底i固接外，其它部分懸空，見附圖4。
附加彈性梁的微拉伸試樣結構是面微拉伸試樣結構，其特征是直線型彈性梁5、6、7、8的形狀或是蟹腿型彈性梁17、18、19、20或是折疊式彈性梁21、22，見附圖5，附圖6。
本發明的最佳效果是附加彈性梁的微拉伸試樣結構采用成熟的MEMS微加工工藝制作，拉伸試樣性能不會因增加彈性梁而改變。因為拉伸試樣尺寸在微米量級。在試樣結構中增加彈性梁，有效減小了非軸向加載力引起的扭轉和彎曲變形；另一方面，彈性梁上承受的拉力相比拉伸試樣上的可忽略不計，加載拉力可以在試樣結構外部檢測。
附圖1是彈性梁厚度與試樣厚度不等時的附加直線彈性梁的體微拉伸試樣結構示意圖，附圖2是彈性梁厚度與試樣厚度相同時的附加直線彈性梁的體微拉伸試樣結構示意圖，附圖3是附加直線型彈性梁的體微拉伸測試結構平面圖。其中1-固定端；2-拉伸試樣；3-大面積平板；4-加載端；5、6、7、8-直線型彈性梁；9、10-支撐框架；11、12-切除標記梁；i-基底；ii-過渡層；iii-被測薄膜層；A-連接點。
附圖4是附加直線彈性梁的面微拉伸試樣結構示意圖，其中1-固定端；2-拉伸試樣；3-大面積平板；4-加載端；5、6、7、8-直線型彈性梁；13、14、15、16-錨點；i-基底；ii-過渡層；iii-被測薄膜層；A-連接點。
附圖5是附加蟹腿型彈性梁的微拉伸測試結構平面圖，其中1-固定端；2-拉伸試樣；3-大面積平板；4-加載端；13、14、15、16-錨點；17、18、19、20-蟹腿型彈性梁；A-連接點。
附圖6是附加折疊型彈性梁的微拉伸測試結構平面圖，其中1-固定端；2-拉伸試樣；3-大面積平板；4-加載端；21、22-折疊彈性梁；23、24-錨點；A-連接點。
具體實施例方式
結合附圖1、附圖2、附圖3詳細說明本發明的具體實施，附加彈性梁的微拉伸試樣結構是體微拉伸試樣結構時，其彈性支撐梁的中部有大面積平板3，一端連接拉伸試樣2，另一端連接加載端4，兩側連接直線型彈性梁5、6、7、8。拉伸試樣2與大面積平板3的連接點靠近直線型彈性梁的幾何中心。做拉伸實驗時，將微拉伸試樣結構中的固定端1固定在靜載物臺上，加載端4固定在動載物臺上，切斷切除標記梁5，通過移動動載物臺而拉伸試樣。在直線型彈性梁5、6、7、8的作用下，當總加載力與軸向成5°角時，除了在試樣兩端存在應力集中外，試樣在軸向的應力分布很均勻，同時垂直方向的應力很小，其平均應力小于軸向平均應力的0.5％。本發明可有效抑制非軸向載荷引起的扭轉和彎曲應變，提高微拉伸法測試精度和可靠性，并且確保彈性支撐梁上承受的荷載拉力相比試樣中的可忽略不計，試樣上的拉伸力可在測試結構內部或外部檢測。
結合附圖4說明，附加彈性梁的微拉伸試樣結構是面微拉伸試樣結構時，彈性支撐梁的中部有大面積平板3一端連接拉伸試樣2，另一端連接加載端4，兩側是直線型彈性梁5、6、7、8。拉伸試樣2與大面積平板3的連接點靠近直線型彈性梁(4根)的幾何中心。除了固定端1和錨點8通過過渡層材料ii固定在基底i上外，其它部分懸空。將基底i固定在靜載物臺上，加載方式采用靜電吸附或真空吸附等方法將加載端安裝在動載物臺的吸附探針上而拉伸試樣。當總加載力與軸向成5°角時，除了在試樣兩端存在應力集中外，試樣在X方向的應力分布很均勻，同時Y方向的應力很小，平均應力小于X方向平均應力的0.5％。附圖5，附圖6中表示附加彈性梁微拉伸試樣結構是面微拉伸試樣結構時，直線型彈性梁5、6、7、8的形狀也可取為蟹腿型彈性梁17、18、19、20或是折疊式彈性梁21、22。
權利要求
1.附加彈性梁的微拉伸試樣結構由三層不同材料固結而成，下層為基底(i)，中間為過渡層(ii)，上層為被測薄膜層(iii)；微拉伸試樣結構整體相對拉伸試樣(2)的軸線對稱；微拉伸試樣結構由固定端(1)，微橋狀的拉伸試樣(2)，加載端(4)組成，根據基底(i)刻蝕的情況有兩種微拉伸試樣結構基底(i)被部分刻蝕的稱為體微拉伸試樣結構；基底(i)沒被刻蝕的稱為面微拉伸試樣結構；其中a)、附加彈性梁的微拉伸試樣結構是體微拉伸試樣結構，其特征是，微拉伸試樣結構還具有彈性支撐部分，彈性支撐部分由1個大面積平板(3)，4個直線型彈性梁(5)、(6)、(7)、(8)，兩個支撐框架(9)和(10)，兩個切除標記梁(11)和(12)組成；大面積平板(3)左側凹口處與拉伸試樣(2)的一端在連接點(A)處相連，大面積平板(3)右端與加載端(4)中部相連；拉伸試樣(2)的左端與固定端(1)中部相連；支撐框架(9)左端與固定端(1)相連，右端通過切除標記梁(11)與加載端(4)相連；支撐框架(10)左端與固定端(1)相連，右端通過切除標記梁(12)與加載端(4)相連；直線型彈性梁(5)、(6)的一端與大面積平板(3)的一個側面相連，另一端與支撐框架(9)連接；直線型彈性梁(7)、(8)的一端與大面積平板(3)的另一個側面相連，另一端與支撐框架(10)連接；固定端(1)和加載端(4)含有基底(i)，過渡層(ii)和待測薄膜層(iii)；拉伸試樣(2)只有待測薄膜層(iii)；切除標記梁(11)、(12)，支撐框架(9)、(10)，大面積平板(3)和直線型彈性梁(5)、(6)、(7)、(8)由部分厚度的基底(i)，過渡層(ii)和待測薄膜層(iii)構成；大面積平板(3)和直線型彈性梁(5)、(6)、(7)、(8)或只由待測薄膜層(iii)構成；體微拉伸試樣結構其余部分全部是空的。b)、附加彈性梁的微拉伸試樣結構是面微拉伸試樣結構，其特征是，微拉伸試樣結構也具有彈性支撐部分，彈性支撐部分由1個大面積平板(3)，4個直線型彈性梁(5)、(6)、(7)、(8)與4個錨點(13)、(14)、(15)、(16)組成；與大面積平板(3)一側相連的2個直線型彈性梁(5)、(6)的另一端分別連接錨點(13)、(14)；與大面積平板(3)另一側相連的2個直線型彈性梁(7)、(8)的另一端分別連接錨點(15)、(16)；大面積平板(3)左測凹口處與拉伸試樣(2)的一端在連接點(A)處相連，大面積平板(3)右端與加載端(4)中部相連；拉伸試樣(2)左端與固定端(1)中部相連；被測薄膜層(iii)除了在固定端(1)和錨點(13)、(14)、(15)、(16)通過過渡層(ii)與基底(i)固接外，其它部分懸空。
2.如權利要求1所述的附加彈性梁的微拉伸試樣結構是面微拉伸試樣結構，其特征是，直線型彈性梁(5)、(6)、(7)、(8)的形狀或是蟹腿型彈性梁(17)、(18)、(19)、(20)或是折疊式彈性梁(21)、(22)。
全文摘要
本發明一種附加彈性梁的微拉伸試樣結構，屬于微機電系統領域中的力學性能測試應用元件領域。附加彈性梁的微拉伸試樣結構由固定端，拉伸試樣，彈性支撐部分，加載端等主要部分構成。彈性支撐部分為軸對稱的，中間為大面積平板，一端連接試樣，另一端延伸至加載端，兩側是柔性彈性梁。微拉伸試樣結構作為整體采用MEMS微加工工藝制作，無需裝配，能夠有效減小微尺度下試樣夾持、對中困難所造成的誤差，提高測試的精度和可靠性，為微尺度下力學理論體系的建立提供更有效的數據。
文檔編號G01N3/00GK1995959SQ200610047219
公開日2007年7月11日 申請日期2006年7月15日 優先權日2006年7月15日
發明者褚金奎, 張段芹, 沈洪源, 關樂, 王曉東 申請人:大連理工大學
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