集成梳狀靜電預(yù)加載的微納材料力學(xué)性能檢測結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種集成梳狀靜電預(yù)加載的微納材料力學(xué)性能檢測結(jié)構(gòu)，包括后屈曲式微力檢測結(jié)構(gòu)和集成梳狀靜電式預(yù)加載結(jié)構(gòu)，其中，集成梳狀靜電式預(yù)加載結(jié)構(gòu)在其內(nèi)部成對的集成梳狀結(jié)構(gòu)上加載電壓后能夠利用靜電作用力引發(fā)變形以實施預(yù)加載，當集成梳狀靜電式預(yù)加載結(jié)構(gòu)未實施預(yù)加載時，后屈曲式微力檢測結(jié)構(gòu)處于無加載狀態(tài)，當集成梳狀靜電式預(yù)加載結(jié)構(gòu)實施預(yù)加載時，后屈曲式微力檢測結(jié)構(gòu)被軸向壓縮，處于預(yù)加載屈曲平衡狀態(tài)，然后后屈曲式微力檢測結(jié)構(gòu)受到試件的軸向微力作用，使后屈曲式微力檢測結(jié)構(gòu)發(fā)生放大的橫向結(jié)構(gòu)變化，從而實現(xiàn)微力檢測。本發(fā)明具有尺寸小、穩(wěn)定可靠，可重復(fù)使用，對軸向微力敏感，力分辨率高，橫向變形可控制等優(yōu)點。
【專利說明】集成梳狀靜電預(yù)加載的微納材料力學(xué)性能檢測結(jié)構(gòu)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微納材料力學(xué)測試【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種集成梳狀靜電預(yù)加載的微納材料力學(xué)性能檢測結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著微納米技術(shù)的快速發(fā)展，微尺度材料和結(jié)構(gòu)在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，如材料科學(xué)、微電子、生物、醫(yī)學(xué)以及微機電系統(tǒng)等等。而當材料的尺寸減小到微納米尺度時，由于一些物理化學(xué)效應(yīng)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生一些變化，使得它的材料特性與宏觀尺度的截然不同，那么對這些微納米尺度的材料和結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能研究就變得十分重要。
[0003]研究微納材料力學(xué)性能時，被測量的微力達到微牛乃至皮牛量級，且微力測量需要有非常高的靈敏度。傳統(tǒng)的加載塊和測力塊已經(jīng)無法適用，所以研究適用于微納米尺度實驗研究的設(shè)備成為必要。
[0004]由胡克定律F=k*x可知，為達到高分辨率的力，就要降低彈簧常數(shù)k，或者增加位移分辨率。例如，對于現(xiàn)有商業(yè)AFM探針顯微鏡，已有埃量級的位移分辨率，彈簧常數(shù)已經(jīng)達到0.1?0.ΟΙΝ/m，而對這些傳統(tǒng)的懸臂式傳感器來說，提高力分辨率是非常困難的，因為進一步減小彈簧常數(shù)會受到內(nèi)部的熱燥以及結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定等因素影響；而位移分辨率幾乎已經(jīng)不能再提高。況且這種懸臂式探針傳感器靈敏方向是垂直于懸臂梁的，和極坐標式的微納米操縱儀配合使用，在小變形的情況下可以近似為直線加載，但當位移較大的時候，顯然是沿弧線加載的。而配合直角坐標式的微納米加載平臺，需要軸向敏感的微力檢測結(jié)構(gòu)。
[0005]由材料力學(xué)知道，對于細長桿受軸向壓力作用，當軸向壓力值超過臨界載荷的時候，會發(fā)生突然的橫向失穩(wěn)，之后，軸向力增加微小值時，沿桿軸向有很小的位移，而沿桿的橫向會發(fā)生很大的變形，能比軸向的高兩個數(shù)量級，從而可以利用橫向的大變形放大軸向的微小變形。而注意到壓桿橫向變形的方向是與壓桿上缺陷和壓桿形狀有關(guān)，所以，可采用初始利用矩形截面桿并在桿中間部位預(yù)制缺陷的方法，使得結(jié)構(gòu)能沿所希望的方向屈曲。
[0006]已公開的文獻提出的屈曲式微力檢測結(jié)構(gòu)，需在傳感器制作完成后，通過驅(qū)動壓電陶瓷施加預(yù)屈曲力，使細長壓桿發(fā)生屈曲,推動中間剛性連接塊體,從而對試件進行拉伸，再在此基礎(chǔ)上進行微力測量。這樣的屈曲加載裝置，操作困難、難度較大、重復(fù)性差、成本高，不利于后屈曲微力檢測傳感結(jié)構(gòu)的使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明旨在至少解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題之一。
[0008]為此，本發(fā)明的目的在于提出一種適用于微納材料力學(xué)性能檢測的集成梳狀靜電預(yù)加載的微納材料力學(xué)性能檢測結(jié)構(gòu)。
[0009]為了實現(xiàn)上述目的,根據(jù)本發(fā)明實施例的集成梳狀靜電預(yù)加載的微納材料力學(xué)性能檢測結(jié)構(gòu)，可以包括:后屈曲式微力檢測結(jié)構(gòu)和集成梳狀靜電式預(yù)加載結(jié)構(gòu)，所述后屈曲式微力檢測結(jié)構(gòu)與所述集成梳狀靜電式預(yù)加載結(jié)構(gòu)相連，其中，所述集成梳狀靜電式預(yù)加載結(jié)構(gòu)被構(gòu)造為在其內(nèi)部成對的集成梳狀結(jié)構(gòu)上加載電壓后能夠利用靜電作用力引發(fā)變形以實施預(yù)加載；所述后屈曲式微力檢測結(jié)構(gòu)被構(gòu)造為當所述集成梳狀靜電式預(yù)加載結(jié)構(gòu)未實施預(yù)加載時，所述后屈曲式微力檢測結(jié)構(gòu)處于自然的無加載狀態(tài)，當集成梳狀靜電式預(yù)加載結(jié)構(gòu)實施預(yù)加載時，所述后屈曲式微力檢測結(jié)構(gòu)被軸向壓縮，處于預(yù)加載屈曲平衡狀態(tài)，然后所述后屈曲式微力檢測結(jié)構(gòu)受到試件的軸向微力作用，所述預(yù)加載屈曲平衡狀態(tài)發(fā)生改變，使所述后屈曲式微力檢測結(jié)構(gòu)發(fā)生放大的橫向結(jié)構(gòu)變化，從而實現(xiàn)微力檢測。
[0010]根據(jù)本發(fā)明實施例的集成梳狀靜電預(yù)加載的微納材料力學(xué)性能檢測結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)尺寸小、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、可靠性高，可重復(fù)使用，制造比較容易；對軸向微力非常敏感，力分辨率超高，橫向變形可控制；有預(yù)加載功能，能夠通過控制電壓使檢測結(jié)構(gòu)進入測量所需的后屈曲狀態(tài)，非常適用于微納材料力學(xué)性能檢測。
[0011]另外，根據(jù)本發(fā)明實施例的集成梳狀靜電預(yù)加載的微納材料力學(xué)性能檢測結(jié)構(gòu)還可以具有如下附加技術(shù)特征:
[0012]在本發(fā)明的一個實施例中，所述后屈曲式微力檢測結(jié)構(gòu)為平面型軸對稱結(jié)構(gòu)，具體包括:懸浮的微力檢測中心桿與微力感測塊，所述微力檢測中心桿位于對稱軸線上，所述微力檢測中心桿的一端與試件相連，另一端與所述微力感測塊的中點相連，微力檢測中心桿與所述微力感測塊呈T型連接；懸浮的第一柔性壓桿、第二柔性壓桿、第三柔性壓桿和第四柔性壓桿，所述第一柔性壓桿、第二柔性壓桿、第三柔性壓桿和第四柔性壓桿的材料相同、長度相等、均與所述對稱軸平行，所述第一柔性壓桿、第二柔性壓桿關(guān)于所述對稱軸對稱，所述第三柔性壓桿、第四柔性壓桿關(guān)于所述對稱軸對稱，其中，所述第一柔性壓桿的一端和所述第二柔性壓桿的一端與所述微力感測塊的一側(cè)相連，所述第三柔性壓桿的一端和所述第四柔性壓桿的一端與所述微力感測塊的另一側(cè)相連，所述第一柔性壓桿的另一端與第一固定塊相連以固定，所述第二柔性壓桿的另一端與第二固定塊相連以固定；懸浮的可動預(yù)加載橫梁，所述可動預(yù)加載橫梁的一側(cè)與所述第三柔性壓桿的另一端和所述第四柔性壓桿的另一端相連，所述可動預(yù)加載橫梁的另一側(cè)與所述集成梳狀靜電式預(yù)加載結(jié)構(gòu)相連。
[0013]在本發(fā)明的一個實施例中，所述第一柔性壓桿、第二柔性壓桿、第三柔性壓桿和第四柔性壓桿的長寬比大于100。
[0014]在本發(fā)明的一個實施例中，所述第一柔性壓桿、第二柔性壓桿、第三柔性壓桿和第四柔性壓桿在受到壓力時朝著兩側(cè)方向凸出變形。
[0015]在本發(fā)明的一個實施例中，所述電熱式屈曲預(yù)加載結(jié)構(gòu)中包括與所述后屈曲式微力檢測結(jié)構(gòu)相連的懸浮的集成靜電靜電結(jié)構(gòu)，所述懸浮的集成靜電靜電結(jié)構(gòu)因加電壓產(chǎn)生靜電相互作用力而發(fā)生形變，推動所述可動預(yù)加載橫梁，所述第一柔性壓桿、第二柔性壓桿、第三柔性壓桿和第四柔性壓桿受軸向力作用被軸向壓縮，處于屈曲狀態(tài)。
[0016]在本發(fā)明的一個實施例中，所述集成梳狀靜電式預(yù)加載結(jié)構(gòu)為平面型軸對稱結(jié)構(gòu)，具體包括:剛性的驅(qū)動桿，所述驅(qū)動桿位于對稱軸上，所述驅(qū)動桿的一端與所述后屈曲式微力檢測結(jié)構(gòu)相連；驅(qū)動梳座以及驅(qū)動梳齒，所述驅(qū)動桿的另一端與所述驅(qū)動梳座的中點相連，所述驅(qū)動桿與所述驅(qū)動梳座呈T型連接，所述驅(qū)動梳齒與所述驅(qū)動梳座相連，所述驅(qū)動梳座的一端通過第一彈簧支撐連接第三固定塊以固定，所述驅(qū)動梳座的另一端通過第二彈簧支撐連接第四固定塊以固定；固定梳座以及固定梳齒，所述固定梳齒與所述固定梳座相連，所述固定梳座用于固定，所述固定梳齒的形狀位置與所述驅(qū)動梳齒相匹配，所述固定梳齒用于與所述驅(qū)動梳齒之間產(chǎn)生靜電相互作用力。
[0017]本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點從結(jié)合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中:
[0019]圖1是本發(fā)明一個實施例的集成梳狀靜電預(yù)加載的微納材料力學(xué)性能檢測結(jié)構(gòu)中后屈曲式微力檢測結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0020]圖2是本發(fā)明一個實施例的集成梳狀靜電預(yù)加載的微納材料力學(xué)性能檢測結(jié)構(gòu)中集成梳狀靜電式預(yù)加載結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0021]圖3A和圖3B分別是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的集成梳狀靜電預(yù)加載的微納材料力學(xué)性能檢測結(jié)構(gòu)未預(yù)加載時的立體示意圖和俯視圖；
[0022]圖4A和圖4B分別是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的集成梳狀靜電預(yù)加載的微納材料力學(xué)性能檢測結(jié)構(gòu)未預(yù)加載時的立體示意圖和俯視圖；
[0023]圖5是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的集成梳狀靜電預(yù)加載的微納材料力學(xué)性能檢測結(jié)構(gòu)完成預(yù)加載時的俯視圖；
[0024]圖6是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的集成梳狀靜電預(yù)加載的微納材料力學(xué)性能檢測結(jié)構(gòu)測試軸向壓力作用時的俯視圖；
[0025]圖7是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的集成梳狀靜電預(yù)加載的微納材料力學(xué)性能檢測結(jié)構(gòu)測試軸向拉力作用時的俯視圖；
[0026]圖8是根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的集成梳狀靜電預(yù)加載的微納材料力學(xué)性能檢測結(jié)構(gòu)的立體示意圖；
[0027]圖9是根據(jù)本發(fā)明又一個實施例的集成梳狀靜電預(yù)加載的微納材料力學(xué)性能檢測結(jié)構(gòu)的立體示意圖。
【具體實施方式】
[0028]下面詳細描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。
[0029]本發(fā)明提出一種集成梳狀靜電預(yù)加載的微納材料力學(xué)性能檢測結(jié)構(gòu)，包括后屈曲式微力檢測結(jié)構(gòu)I和集成梳狀靜電式預(yù)加載結(jié)構(gòu)2。后屈曲式微力檢測結(jié)構(gòu)I與集成梳狀靜電式預(yù)加載結(jié)構(gòu)2相連。其中，集成梳狀靜電式預(yù)加載結(jié)構(gòu)2被構(gòu)造為在其內(nèi)部成對的集成梳狀結(jié)構(gòu)上加載電壓后能夠利用靜電作用力引發(fā)變形以實施預(yù)加載。后屈曲式微力檢測結(jié)構(gòu)I被構(gòu)造為:當集成梳狀靜電式預(yù)加載結(jié)構(gòu)2未實施預(yù)加載時，后屈曲式微力檢測結(jié)構(gòu)I處于自然的無加載狀態(tài)。當集成梳狀靜電式預(yù)加載結(jié)構(gòu)2實施預(yù)加載時，后屈曲式微力檢測結(jié)構(gòu)I被軸向壓縮，處于預(yù)加載屈曲平衡狀態(tài)。然后該后屈曲式微力檢測結(jié)構(gòu)I受到試件的軸向微力作用，預(yù)加載屈曲平衡狀態(tài)發(fā)生改變，使后屈曲式微力檢測結(jié)構(gòu)I發(fā)生放大的橫向結(jié)構(gòu)變化，從而實現(xiàn)微力檢測。
[0030]根據(jù)本發(fā)明實施例的集成梳狀靜電預(yù)加載的微納材料力學(xué)性能檢測結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)尺寸小、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、可靠性高，可重復(fù)使用，制造比較容易；對軸向微力非常敏感，力分辨率超高，橫向變形可控制；有預(yù)加載功能，能夠通過控制電壓使檢測結(jié)構(gòu)進入測量所需的后屈曲狀態(tài)，非常適用于微納材料力學(xué)性能檢測。
[0031]在本發(fā)明的一個實施例中，后屈曲式微力檢測結(jié)構(gòu)I為平面型軸對稱結(jié)構(gòu)，如圖1所示，具體包括:微力檢測中心桿101、微力感測塊102、第一柔性壓桿103、第二柔性壓桿104、第三柔性壓桿105、第四柔性壓桿106、第一固定塊107、第二固定塊108和可動預(yù)加載橫梁109。第一固定塊107和第二固定塊108固定在測試平臺的基座上，在預(yù)加載前、后和測試時間位置均不變。其余構(gòu)件均處于懸浮狀態(tài)，其形狀或位置可能因外力作用而變化。
[0032]微力檢測中心桿101位于對稱軸線上。微力檢測中心桿101的一端與試件相連，另一端與微力感測塊102的中點相連。微力檢測中心桿101與微力感測塊102呈T型連接。
[0033]第一柔性壓桿103、第二柔性壓桿104、第三柔性壓桿105和第四柔性壓桿106的材料相同、長度相等、均與對稱軸平行。其中，第一柔性壓桿103和第二柔性壓桿104關(guān)于對稱軸對稱，第三柔性壓桿105和第四柔性壓桿106關(guān)于對稱軸對稱。第一柔性壓桿103的一端和第二柔性壓桿104的一端與微力感測塊102的一側(cè)(例如圖1所示的左側(cè))相連。第三柔性壓桿105的一端和第四柔性壓桿106的一端與微力感測塊102的另一側(cè)(例如圖1所示的右側(cè))相連。第一柔性壓桿103的另一端與第一固定塊107相連以固定。第二柔性壓桿104的另一端與第二固定塊108相連以固定。第一柔性壓桿103、第二柔性壓桿104、第三柔性壓桿105和第四柔性壓桿106形狀細長，優(yōu)選它們的長寬比大于100，這時該集成梳狀靜電預(yù)加載的微納材料力學(xué)性能檢測結(jié)構(gòu)的軸線微力敏感，橫向變形較大，測試的靈敏度和精度較高。此外，第一柔性壓桿103、第二柔性壓桿104、第三柔性壓桿105和第四柔性壓桿106可以通過預(yù)制缺陷或者通過其他工藝，以使第一柔性壓桿103、第二柔性壓桿104、第三柔性壓桿105和第四柔性壓桿106被構(gòu)造成在受到壓力(預(yù)加載時受到的屈曲壓力、以及測試時受到的屈曲壓力)時朝著兩側(cè)凸出變形，這時橫向變形可控制。
[0034]可動預(yù)加載橫梁109的一側(cè)(例如圖1所示的左側(cè))與第三柔性壓桿105的另一端和第四柔性壓桿106的另一端相連，可動預(yù)加載橫梁109的另一側(cè)(例如圖1所示的右側(cè))與集成梳狀靜電式預(yù)加載結(jié)構(gòu)2相連。
[0035]在本發(fā)明的一個實施例中，電熱式屈曲預(yù)加載結(jié)構(gòu)2中包括與所述后屈曲式微力檢測結(jié)構(gòu)I相連的懸浮的集成靜電靜電結(jié)構(gòu)，該懸浮的集成靜電靜電結(jié)構(gòu)因加電壓產(chǎn)生靜電相互作用力而發(fā)生形變，推動可動預(yù)加載橫梁109，使得第一柔性壓桿103、第二柔性壓桿104、第三柔性壓桿105和第四柔性壓桿106受軸向力作用被軸向壓縮，處于屈曲狀態(tài)。
[0036]在本發(fā)明的一個實施例中，集成梳狀靜電式預(yù)加載結(jié)構(gòu)2為平面型軸對稱結(jié)構(gòu)，如圖2所示，具體可以包括:驅(qū)動桿201、驅(qū)動梳座202、驅(qū)動梳齒203和204、第一彈簧支撐205、第三固定塊206、第二彈簧支撐207、第四固定塊208、固定梳座209和211，以及固定梳齒210和212。其中第三固定塊206、第四檔塊208、固定梳座209和211固定在測試平臺的基座上，在預(yù)加載前、后和測試時間位置均不變。其余構(gòu)件均處于懸浮狀態(tài)，其形狀或位置可能因外力作用而變化。[0037]驅(qū)動桿201設(shè)在集成梳狀靜電預(yù)加載的微納材料力學(xué)性能檢測結(jié)構(gòu)的對稱軸上，采用剛性材料制成。驅(qū)動桿201的一端(如圖2所示的左端)與后屈曲式微力檢測結(jié)構(gòu)I相連，例如，可以與后屈曲式微力檢測結(jié)構(gòu)I中的可動預(yù)加載橫梁109相連。
[0038]驅(qū)動梳座202的中點與驅(qū)動桿201的另一端相連，即驅(qū)動桿201與驅(qū)動梳座202呈T型連接。驅(qū)動梳齒203和204與驅(qū)動梳座202相連。驅(qū)動梳座202的一端通過第一彈簧支撐205連接第三固定塊206以固定，驅(qū)動梳座202的另一端通過第二彈簧支撐207連接第四固定塊208以固定。
[0039]固定梳座209、211與固定梳齒210、212相連。其中，固定梳座209和211用于固定。固定梳齒210和212的形狀位置與驅(qū)動梳齒203和204相匹配。固定梳齒210和212用于與驅(qū)動梳齒203和204之間產(chǎn)生靜電相互作用力。
[0040]下面結(jié)合圖3A至圖7詳細描述本發(fā)明一個實施例的集成梳狀靜電預(yù)加載的微納材料力學(xué)性能檢測結(jié)構(gòu)的其他細節(jié)特征以及工作過程。
[0041]圖3A和圖3B分別是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的集成梳狀靜電預(yù)加載的微納材料力學(xué)性能檢測結(jié)構(gòu)未預(yù)加載時的立體示意圖和俯視圖。如圖3A和圖3B所示，此時集成梳狀靜電預(yù)加載的微納材料力學(xué)性能檢測結(jié)構(gòu)未通電，也就是說未實施預(yù)加載，處于自然的無加載狀態(tài)。其中:整個微力檢測結(jié)構(gòu)設(shè)置在某個平面上，多個固定塊和固定梳齒固定在平面上，它們的厚度略大于其他構(gòu)件的厚度(如圖3B所示)，這樣可以使得其他構(gòu)件懸空。四個柔性壓桿103、104、105和106對稱設(shè)置，具有非常高的長寬比(例如長3mm，寬2 μ m，厚
12μ m)，這樣的形貌使得柔性壓桿極易發(fā)生平面內(nèi)橫向失穩(wěn)，朝著001方向或002方向屈曲。為了使得柔性壓桿沿著所希望的某一個方向發(fā)生屈曲，可以使得每根柔性壓桿自身不對稱。在該實施例中，對于柔性壓桿103和105沿001方向有初始微彎曲，對于柔性壓桿104和106沿002方向有初始微彎曲。
[0042]圖4A和圖4B分別是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的集成梳狀靜電預(yù)加載的微納材料力學(xué)性能檢測結(jié)構(gòu)處于預(yù)加載時的立體示意圖和俯視圖。如圖4A和圖4B所示，通過在驅(qū)動梳座202和固定梳座209、211之間施加電壓，即讓驅(qū)動梳齒203、204與固定梳齒210、212分別帶上異種電荷，從而使得驅(qū)動梳齒203、204與固定梳齒210、212之間產(chǎn)生靜電吸引力。而固定梳齒210、212被固定梳座209、211固定，故驅(qū)動梳齒203、204向左移動，從而推動可動預(yù)加載橫梁109移動。因此會直接在柔性壓桿105和106的端部施加軸線壓力P，根據(jù)力的傳導(dǎo)特性，也會間接在柔性壓桿103和104的端部施加軸線壓力P。軸向壓力P作用在細長的柔性壓桿上，當P < Pcr=4 2EI/L2時，柔性壓桿保持筆直狀態(tài)不變。其中P是作用在柔性壓桿上的軸向力，Pcr是桿屈曲的臨界載荷，E是材料的彈性模量，I是最小的桿橫截面對中性軸的慣性矩。當P > Pra時，各個柔性壓桿沿著自身初始缺陷方向發(fā)生橫向屈曲，最大位移在各個柔性壓桿的中間位置，對于柔性壓桿103和105沿001方向屈曲，對于柔性壓桿104和106沿002方向屈曲。屈曲后的柔性壓桿的橫向變形與軸向變形之間有一定的關(guān)系，實際上橫向變形能比軸向位移高出兩個數(shù)量級，也就是起到了有效放大的作用。實際使用制造完備的集成梳狀靜電預(yù)加載的微納材料力學(xué)性能檢測結(jié)構(gòu)時，通過測量橫向變形的大小輸出微力檢測中性桿上所受到的力。需要說明的是，當除去施加的電壓時，驅(qū)動梳座202會分別在彈簧支撐205、207的作用下復(fù)位，載荷P釋放，柔性壓桿103、104、105和106逐漸恢復(fù)直線狀態(tài)，整個集成梳狀靜電預(yù)加載的微納材料力學(xué)性能檢測結(jié)構(gòu)恢復(fù)到初始狀態(tài)。也就是說，對于該集成梳狀靜電預(yù)加載的微納材料力學(xué)性能檢測結(jié)構(gòu)，通過控制驅(qū)動電壓大小可以連續(xù)地控制懸浮熱電結(jié)構(gòu)的伸長量，從而逐漸施加端部載荷P，使得柔性壓桿進入屈曲，也就是實現(xiàn)預(yù)加載。同時可以看出，該集成梳狀靜電預(yù)加載的微納材料力學(xué)性能檢測結(jié)構(gòu)可控性比較高，重復(fù)性也很高。需要注意的是，在柔性壓桿受到臨界載荷Pra的時候，柔性壓桿內(nèi)最大應(yīng)力還遠小于臨界斷裂應(yīng)力，所以柔性壓桿始終不會斷裂。
[0043]在控制集成梳狀靜電式預(yù)加載結(jié)構(gòu)2上電壓大小使得后屈曲微力檢測結(jié)構(gòu)I進入預(yù)加載狀態(tài)后，即如圖5所示之后，保持所施加的電壓值不變，即保持柔性壓桿的橫向變形最大值D值不變。通過粘接或電子束焊接等方式將試件的一端固定在微力檢測中心桿101的左端部，從而實現(xiàn)對被檢測試件的拉伸或者壓縮。
[0044]當壓縮連接在微力檢測中心桿101上的試件時，微力檢測中心桿101也受到軸向壓力作用，軸向壓力傳遞到微力感測塊102上。位于微力感測塊102右側(cè)的柔性壓桿105和106上所受軸向壓力增大，所以橫向最大變形D2增大。而位于微力感測塊102左側(cè)的柔性壓桿103和104上所受軸向壓力減小，所以橫向最大變形Dl減小。此時后屈曲微力檢測結(jié)構(gòu)形貌如圖6所示。通過實驗技術(shù)檢測得到Dl和D2大小后，查閱之前標定得到的微力和橫向變形差值的對應(yīng)關(guān)系，就可以得到微力檢測中心桿受到的載荷大小，即試件所受軸向微力大小。
[0045]需要說明的是，對集成梳狀靜電預(yù)加載的微納材料力學(xué)性能檢測結(jié)構(gòu)進行標定的過程是指，通過實驗測得到一系列的微力檢測中心桿上受到的微力大小與柔性壓桿的橫向變形差之間的 對應(yīng)關(guān)系。在實際使用的時候，通過在光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡下直接觀測柔性壓桿橫向變形的差值，或者采用一些間接觀測的方法得到柔性壓桿橫向變形差。例如:(I)利用電容的方法:在柔性壓桿的橫向變形最大處噴涂金粉，與周圍封裝容器或其他設(shè)備形成電容器，通過對電容改變的測量得到橫向變形信息。(2)利用電阻的方法:在柔性壓桿中間位置的側(cè)邊沉積電阻，通過壓桿的變形導(dǎo)致應(yīng)變，引起半導(dǎo)體電阻的變化，由電阻的變化得到橫向變形信息。(3)利用光杠桿的方法:將激光束打到桿的側(cè)邊，通過激光的光斑位置的變化得到桿變形角度的信息，進一步得到橫向變形信息。再由測得的橫向變形差，查詢之前標定得到的微力和橫向變形差值的對應(yīng)關(guān)系，就可以得到微力檢測中心桿受到的載荷大小。
[0046]同理，當拉伸連接在微力檢測中心桿101上的試件時，同時微力檢測中心桿101也受到軸向拉力作用，軸向拉力傳遞到微力感測塊102上。位于微力感測塊102右側(cè)的柔性壓桿105和106上所受軸向壓力減小，所以橫向最大變形D2減小。而位于微力感測塊102左側(cè)的柔性壓桿103和104上所受軸向壓力增大，所以橫向最大變形Dl增大。此時后屈曲微力檢測結(jié)構(gòu)形貌如圖7所示。通過實驗技術(shù)檢測得到Dl和D2大小后，查閱之前標定得到的微力和橫向變形差值的對應(yīng)關(guān)系，就可以得到微力檢測中心桿受到的載荷大小，即試件所受軸向微力大小。
[0047]綜上所述，通過檢測橫向最大變形的大小，得到了微力大小的輸出。
[0048]由于該集成梳狀靜電預(yù)加載的微納材料力學(xué)性能檢測結(jié)構(gòu)的集成梳狀靜電式預(yù)加載結(jié)構(gòu)有預(yù)加載功能，具體通過固定塊對懸浮電熱結(jié)構(gòu)施加電壓，懸浮電熱結(jié)構(gòu)在電流作用下產(chǎn)生焦耳熱，發(fā)生熱膨脹形變，從而壓縮后屈曲式微力檢測結(jié)構(gòu)。對于預(yù)加載結(jié)構(gòu)，當電壓值超過某一臨界值，對應(yīng)作用在長壓桿上的力超過臨界載荷時，長壓桿會屈曲產(chǎn)生橫向失穩(wěn)，此后，軸向力增加微小數(shù)值時，橫向變形增加很多，借此放大微小的軸向變形。那么當微力檢測中心桿上受到微牛乃至皮牛量級的力時，處于失穩(wěn)狀態(tài)的長壓桿也會在橫向發(fā)生很大的變形，便于測量。也就是說該傳感器對應(yīng)的彈簧常數(shù)很小，顯著提高了力分辨率。另外，由于該結(jié)構(gòu)是對稱的，有效保證了使用過程中的穩(wěn)定性?？傊?，這種集成梳狀靜電預(yù)加載的微納材料力學(xué)性能檢測結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)尺寸小，同時結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、可靠性高且可重復(fù)使用，制造比較容易；對軸向微力非常敏感，力分辨率超高，橫向變形可控制；有預(yù)加載功能，能夠通過控制電壓使得初始狀態(tài)時壓桿處于后屈曲狀態(tài)，也就是工作狀態(tài)。
[0049]需要說明的是，本發(fā)明的集成梳狀靜電預(yù)加載的微納材料力學(xué)性能檢測結(jié)構(gòu)的具體實現(xiàn)方法有多種。其中一種實現(xiàn)方法是，先通過機械加工的方法制造出每一個小部件，然后選擇一個合適的襯底，將各個結(jié)構(gòu)部件按照設(shè)計的連接方式粘接起來或者依靠其他方式組裝。另一種實現(xiàn)方法是，利用微電子加工工藝在硅片上通過沉積薄膜和選擇性刻蝕和腐蝕的方法加工實現(xiàn)，例如選擇使用硅氧化物絕緣體(SOI)晶片，以硅為襯底層材料，二氧化硅作為犧牲層材料，二氧化硅層上再覆蓋一層硅。首先在最上面的硅層上涂光刻膠，曝光(利用輻照的方法，如光學(xué)、X-射線、電子束或離子束)，將掩膜板上的圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠上，然后用光刻膠作為掩膜層通過刻蝕工藝，如深層反應(yīng)離子刻蝕法(DRIE)刻蝕硅層，將光刻膠上的圖形轉(zhuǎn)換到硅層。再通過使用氫氟酸(HF)刻蝕二氧化硅層。合適地控制氫氟酸的刻蝕時間，使得二氧化硅被溶解，最后使用丙酮溶液去除光刻膠得到所需要的硅MEMS器件，注意此時該集成梳狀靜電預(yù)加載的微納材料力學(xué)性能檢測結(jié)構(gòu)的四個固定塊直接形成于硅片襯底表面。
[0050]本發(fā)明公開的集成梳狀靜電預(yù)加載的微納材料力學(xué)性能檢測結(jié)構(gòu)非常適應(yīng)于微納材料力學(xué)性能檢測領(lǐng)域，它可根據(jù)設(shè)計尺度的調(diào)整而廣泛應(yīng)用于毫牛、納牛至皮牛跨尺度的微力的測量。該傳感設(shè)備可以用于真空、空氣、液體、電磁場等環(huán)境中。由于結(jié)構(gòu)尺寸非常小，可在探針和電子顯微鏡中做一些實時在線的微納米尺度的力學(xué)實驗，如碳納米管的拉伸與壓縮、彎曲等等。
[0051]需要說明的是，在本發(fā)明其他實施例的集成梳狀靜電預(yù)加載的微納材料力學(xué)性能檢測結(jié)構(gòu)中，集成梳狀靜電式預(yù)加載結(jié)構(gòu)2還可以為其他的形式，例如圖8和圖9所示。這些均屬于本發(fā)明實施例的可選的變形，并不改變發(fā)明的實質(zhì)。
[0052]在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語“中心”、“縱向”、“橫向”、“長度”、“寬度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底” “內(nèi)”、“外”、“順時
針”、“逆時針”、“軸向”、“徑向”、“周向”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。
[0053]此外，術(shù)語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術(shù)特征的數(shù)量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括一個或者更多個該特征。在本發(fā)明的描述中，“多個”的含義是兩個或兩個以上，除非另有明確具體的限定。
[0054]在本發(fā)明中，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“安裝”、“相連”、“連接”、“固定”等術(shù)語應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或成一體；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內(nèi)部的連通或兩個元件的相互作用關(guān)系。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。
[0055]在本發(fā)明中，除非另有明確的規(guī)定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接觸，或第一和第二特征通過中間媒介間接接觸。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或僅僅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或僅僅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0056]在本說明書的描述中，參考術(shù)語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點包含于本發(fā)明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術(shù)語的示意性表述不必須針對的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點可以在任一個或多個實施例或示例中以合適的方式結(jié)合。此外，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以將本說明書中描述的不同實施例或示例進行結(jié)合和組合。
[0057]盡管上面已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以對上述實施例進行變化、修改、替換和變型。
【權(quán)利要求】
1.一種集成梳狀靜電預(yù)加載的微納材料力學(xué)性能檢測結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括:后屈曲式微力檢測結(jié)構(gòu)和集成梳狀靜電式預(yù)加載結(jié)構(gòu)，所述后屈曲式微力檢測結(jié)構(gòu)與所述集成梳狀靜電式預(yù)加載結(jié)構(gòu)相連，其中， 所述集成梳狀靜電式預(yù)加載結(jié)構(gòu)被構(gòu)造為在其內(nèi)部成對的集成梳狀結(jié)構(gòu)上加載電壓后能夠利用靜電作用力引發(fā)變形以實施預(yù)加載； 所述后屈曲式微力檢測結(jié)構(gòu)被構(gòu)造為當所述集成梳狀靜電式預(yù)加載結(jié)構(gòu)未實施預(yù)加載時，所述后屈曲式微力檢測結(jié)構(gòu)處于自然的無加載狀態(tài)，當集成梳狀靜電式預(yù)加載結(jié)構(gòu)實施預(yù)加載時，所述后屈曲式微力檢測結(jié)構(gòu)被軸向壓縮，處于預(yù)加載屈曲平衡狀態(tài)，然后所述后屈曲式微力檢測結(jié)構(gòu)受到試件的軸向微力作用，所述預(yù)加載屈曲平衡狀態(tài)發(fā)生改變，使所述后屈曲式微力檢測結(jié)構(gòu)發(fā)生放大的橫向結(jié)構(gòu)變化，從而實現(xiàn)微力檢測。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成梳狀靜電預(yù)加載的微納材料力學(xué)性能檢測結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述后屈曲式微力檢測結(jié)構(gòu)為平面型軸對稱結(jié)構(gòu)，具體包括: 懸浮的微力檢測中心桿與微力感測塊，所述微力檢測中心桿位于對稱軸線上，所述微力檢測中心桿的一端與試件相連，另一端與所述微力感測塊的中點相連，微力檢測中心桿與所述微力感測塊呈T型連接； 懸浮的第一柔性壓桿、第二柔性壓桿、第三柔性壓桿和第四柔性壓桿，所述第一柔性壓桿、第二柔性壓桿、第三柔性壓桿和第四柔性壓桿的材料相同、長度相等、均與所述對稱軸平行，所述第一柔性壓桿、第二柔性壓桿關(guān)于所述對稱軸對稱，所述第三柔性壓桿、第四柔性壓桿關(guān)于所述對稱軸對稱，其中，所述第一柔性壓桿的一端和所述第二柔性壓桿的一端與所述微力感測塊的一側(cè)相連，所述第三柔性壓桿的一端和所述第四柔性壓桿的一端與所述微力感測塊的另一側(cè)相連，所述第一柔性壓桿的另一端與第一固定塊相連以固定，所述第二柔性壓桿的另一端與第二固定塊相連以固定； 懸浮的可動預(yù)加載橫梁，所述可動預(yù)加載橫梁的一側(cè)與所述第三柔性壓桿的另一端和所述第四柔性壓桿的另一端相連，所述可動預(yù)加載橫梁的另一側(cè)與所述集成梳狀靜電式預(yù)加載結(jié)構(gòu)相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的集成梳狀靜電預(yù)加載的微納材料力學(xué)性能檢測結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一柔性壓桿、第二柔性壓桿、第三柔性壓桿和第四柔性壓桿的長寬比大于100。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項所述的集成梳狀靜電預(yù)加載的微納材料力學(xué)性能檢測結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一柔性壓桿、第二柔性壓桿、第三柔性壓桿和第四柔性壓桿被構(gòu)造成在受到壓力時朝著兩側(cè)方向凸出變形。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項所述的集成梳狀靜電預(yù)加載的微納材料力學(xué)性能檢測結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述電熱式屈曲預(yù)加載結(jié)構(gòu)中包括與所述后屈曲式微力檢測結(jié)構(gòu)相連的懸浮的集成梳狀靜電 結(jié)構(gòu)，所述懸浮的集成靜電靜電結(jié)構(gòu)因加電壓產(chǎn)生靜電相互作用力而發(fā)生形變，推動所述可動預(yù)加載橫梁，所述第一柔性壓桿、第二柔性壓桿、第三柔性壓桿和第四柔性壓桿受軸向力作用被軸向壓縮，處于屈曲狀態(tài)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項所述的集成梳狀靜電預(yù)加載的微納材料力學(xué)性能檢測結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述集成梳狀靜電式預(yù)加載結(jié)構(gòu)為平面型軸對稱結(jié)構(gòu)，具體包括: 剛性的驅(qū)動桿，所述驅(qū)動桿位于對稱軸上，所述驅(qū)動桿的一端與所述后屈曲式微力檢測結(jié)構(gòu)相連； 驅(qū)動梳座以及驅(qū)動梳齒，所述驅(qū)動桿的另一端與所述驅(qū)動梳座的中點相連，所述驅(qū)動桿與所述驅(qū)動梳座呈T型連接，所述驅(qū)動梳齒與所述驅(qū)動梳座相連，所述驅(qū)動梳座的一端通過第一彈簧支撐連接第三固定塊以固定，所述驅(qū)動梳座的另一端通過第二彈簧支撐連接第四固定塊以固定； 固定梳座以及固定梳齒，所述固定梳齒與所述固定梳座相連，所述固定梳座用于固定，所述固定梳齒的形狀位置與所述驅(qū)動梳齒相匹配，所述固定梳齒用于與所述驅(qū)動梳齒之間產(chǎn)生靜電相 互作用力。
【文檔編號】G01L5/00GK103808565SQ201310718672
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2013年12月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月10日
【發(fā)明者】方華軍, 許軍, 王敬, 葉璇, 李喜德, 梁仁榮 申請人:清華大學(xué)