微构件力学性能片外拉伸测试实验装置研究

摘要

随着MEMS的发展，在产品设计、加工、封装及性能和可靠性测试中，不可避免地遇到了大量的力学问题。但是，针对MEMS应用中微尺度条件下的材料力学性能的研究已远远落后于对材料电学性能和加工工艺性能的研究，主要表现在材料力学性能的研究方法尚无统一标准，测量出的数据分散性很大，精度也千差万别。这些因素促使MEMS的力学特性研究成为一个热点。 目前，弹性模量、残余应力、断裂强度和疲劳强度是微构件材料力学特性测试中最主要的测量对象。针对这些力学量产生了多种测试方法，如纳米压痕法、鼓膜法、弯曲法、扭转法和拉伸法等。在这些方法中，拉伸测试是测量材料弹性模量、泊松比、屈服强度和断裂强度等最直接的方法。单轴拉伸试验时，材料受均匀拉应力作用，能较全面地反映薄膜材料的强度和疲劳特性，而且测出的数据容易解释。在总结前人工作的基础上，本文介绍了一种能够测量长度在100 um～1 mm范围，厚度在1 um～10 um范围薄膜材料的片外拉伸测试实验装置的工作原理及设计过程。整个实验装置由压电陶瓷制动器、位移检测传感器、微力检测传感器、动静载物台、五维精密定位台、图像采集等主要部件组成。并专门设计了一种用于压电陶瓷封装夹持的结构。分别介绍了每部份的功能。试样放在动静载物台上，压电陶瓷制动器驱动动载物台从而拉动试样，直到试样被拉断。施加在试样上的力和试样被拉伸后的伸长量分别由微力检测传感器和位移检测传感器测出，同时试样表面形貌及其变化可由图像观测装置实时观测。利用LabVIEW图形化编程语言编写了位移传感器和力传感器的数据采集软件以及图像采集软件。整套装置的力分辨力可达8uN，位移分辨力可达0.05um，图像观测的分辨力可达0.3um。并分别对位移传感器位移-电压关系、压电陶瓷驱动器的迟滞、蠕变和非线性等特性和力传感器力-电压关系进行了标定，给出了误差分析。结果表明此装置设计合理，达到预期目标。

目录

文摘

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1绪论

1.1选题依据及意义

1.2国内外研究现状

1.3本论文的主要工作

2测试系统的装置设计

2.1设计原理

2.2实验装置的构成

2.2.1压电驱动装置设计

2.2.2电感位移检测装置

2.2.3微力检测装置

2.2.4试件安装调整装置设计

2.2.5图像监控采集装置设计

3数据采集与基于LabVIEW的程序设计

3.1数据采集

3.1.1数据采集卡概述

3.1.2数据采集卡的选用标准

3.1.3数据采集卡的主要技术指标

3.1.4 PCI-1716多功能数据采集卡工作原理

3.2 LabVIEW简介

3.2.1 LabVIEW

3.2.2 Labview的运行机制

3.3程序设计

3.3.1控制板程序设计

3.3.2力传感器输出电压信号采集和力标定程序设计

3.3.3力传感器电压和力关系曲线程序设计

3.3.4位移传感器输出电压信号采集和位移标定程序设计

3.3.5位移传感器电压和位移关系曲线程序设计

3.3.6图像采集程序设计

4数据采集标定

4.1位移传感器位移-电压关系标定

4.2压电陶瓷驱动器的特性标定

4.2.1标定目的

4.2.2迟滞特性

4.2.3蠕变特性

4.2.4压电陶瓷非线性测量曲线标定

4.3力传感器力-电压关系标定

5装置的误差分析及改进措施

5.1误差分析

5.2改进措施

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢