專利名稱：小型化力學和電學耦合特性測試裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及機電一體化的精密科學儀器，特別涉及一種集成宏觀驅動、高精密檢測、微納米級材料力學特性以及力學和電學耦合特性的測試裝置，尤指一種小型化力學和電學耦合特性測試裝置。
背景技術：
金剛石對頂砧(diamond anvil cell，簡記為DAC)的發明是高壓技術發展中的一次技術革命，它是目前唯一能產生超高靜水壓(高于IOOGPa)的實驗裝置。在高壓和超高壓下材料會產生變化的奇特現象已經被國內外普遍認可，而且經過了諸多實驗的證實，通過 DAC可以觀察到金屬和半導體的轉變、電子的轉變、高壓下材料晶格的轉變以及材料的相變等，甚至很多人認為是DAC是目前能夠模擬地殼內部變化的唯一手段。國內外高校和研究所在高壓和超高壓下對材料的電學特性的研究和力學特性的研究都有了一些成果，美國的 Lawrence Livermore National Laboratory對金剛石對頂砧做了一些研究，研制出了用于靜態實驗的DAC和動態實驗的dDAC，也實現了壓力和溫度的耦合實驗。吉林大學超硬國家重點實驗室在高壓下材料的電學特性做過一些研究，將薄膜制備和光刻技術將對頂砧技術結合，實現了材料原位電阻率的測量。但是國內外對于材料在高壓下力學和電學的耦合特性的研究還處于相對空白階段，限制了我國對前沿科學領域的探索。

發明內容
本發明的目的在于提供一種小型化力學和電學耦合特性測試裝置，解決了高壓下材料的力學和電學耦合特性的測試問題，可以從側面驗證材料的變形機理。針對現有技術存在的問題，本發明提出的小型化高壓下材料的力學和電學耦合特性測試裝置結構緊湊、 體積小、壓力大，具有宏觀微運動能力，通過更換金剛石壓頭還可以對材料進行納米壓痕測試，這對推動我國高端科技裝備的發展具有重要意義，使得我國的高壓下材料的變形機理的研究上一個新的臺階。本發明對于研究被測試件或材料在高壓下的力學特性、電學特性、 以及力學和電學的耦合特性的研究以及材料性能間的相關規律的研究起到了非常重要的促進作用，對新材料新工藝、精密光學、微電子技術及半導體技術、汽車飛機關鍵零部件制造、鋼鐵冶金、生物醫學工程、微機電系統(MEMS)技術、納米工程和國防軍工等高技術產業集群的發展具有極為重要的支撐推動作用和廣闊的產業應用價值。本發明的上述目的通過以下技術方案實現
小型化力學和電學耦合特性測試裝置，包括Z軸宏動調整機構15，XY軸宏動調整機構 23、壓電精密驅動壓入單元10、載荷信號檢測單元2、位移信號檢測單元12及電流信號檢測單元，其中，所述Z軸宏動調整機構15設置在底座18上，XY軸宏動調整機構23設置在上支撐板8內面，該底座18通過側支撐板1與上支撐板8連接；所述壓電精密驅動壓入單元 10通過方形連接板7與XY軸宏動調整機構23的微動滑臺9連接；所述載荷信號檢測單元 2通過支撐板17與Z軸宏動調整機構15連接；所述位移信號檢測單元12的精密位移傳感器11通過夾緊塊13固定連接在壓電精密驅動壓入單元10的柔性鉸鏈5的前端側面，位移信號檢測單元12的探頭擋板3固定連接在載荷信號檢測單元2的中心。所述的壓電精密驅動壓入單元10包括柔性鉸鏈5、壓電疊堆驅動器6、預緊螺母19 及上下兩個金剛石壓頭4，該柔性鉸鏈5通過方形連接板7與XY軸宏動調整機構23的微動滑臺9連接；壓電疊堆驅動器6設置在柔性鉸鏈5的中心，并通過預緊螺母19能實現壓電疊堆驅動器6的預緊。所述的載荷信號檢測單元2包括十字梁載體壓板14、十字梁載體16及支撐板17， 該十字梁載體16通過支撐板17固定在Z軸宏動調整機構15上，并通過十字梁載體壓板14 固定該十字梁載體16，十字梁載體16的兩個臂的上下表面分別設置應變片傳感器。所述的位移信號檢測單元12包括精密位移傳感器11、夾緊塊13及探頭擋板3，該精密位移傳感器11通過夾緊塊13固定連接在柔性鉸鏈5的前端側面，探頭擋板3固定在載荷信號檢測單元2的十字梁載體16的中心所述的電流信號檢測單元是上下兩個導電的金剛石壓頭4分別設置在柔性鉸鏈 5的中心和探頭擋板3的右側，在金剛石壓頭4與柔性鉸鏈5之間、金剛石壓頭4與探頭擋板3之間分別設有一面導電另一面絕緣的墊片。本發明的技術效果是結構緊湊、體積小，具有宏微運動能力，能夠對材料在高壓下的力學和電學耦合特性進行測試，也可以對材料進行壓痕測試，位移分辨率達到納米級； 對力學和電學耦合特性的分析，為研究材料的變形損傷機理提供方便。本發明對材料科學、 微電子技術、精密光學、薄膜技術、超精密加工技術和國防軍工等領域將起到推動促進作用。


圖1為本發明的結構示意圖2為本發明的精密驅動單元、位移檢測單元和載荷檢測單元的示意圖； 圖3為本發明的載荷檢測單元的十字梁載體的結構示意圖； 圖4為本發明的壓電精密驅動壓入單元的結構示意圖； 圖5為本發明的電學特性測量原理圖。圖中1.側支撐板，2.載荷信號檢測單元，3.探頭擋板，4.金剛石壓頭，5.柔性鉸鏈，6.壓電疊堆，7.方形連接板，8.上支撐板，9.微動滑臺，10.壓電精密驅動壓入單元， 11.精密位移傳感器，12.位移信號檢測單元，13.夾緊塊，14.十字梁載體壓板，15. Z軸宏動調整機構，16.十字梁載體，17.支撐板，18.底座，19.預緊螺母，20.電流表，21.直流穩壓電源，22.試件，23. XY軸宏動調整機構。
具體實施例方式下面結合附圖進一步說明本發明的詳細內容及其具體實施方式
。參見圖1至圖5，本發明的小型化力學和電學耦合特性測試裝置，包括Z軸宏動調整機構15，XY軸宏動調整機構23、壓電精密驅動壓入單元10、載荷信號檢測單元2、位移信號檢測單元12及電流信號檢測單元，其中，所述Z軸宏動調整機構15設置在底座18上，XY 軸宏動調整機構23設置在上支撐板8內面，該底座18通過側支撐板1與上支撐板8連接；所述壓電精密驅動壓入單元10通過方形連接板7與XY軸宏動調整機構23的微動滑臺9 連接；所述載荷信號檢測單元2通過支撐板17與Z軸宏動調整機構15連接；所述位移信號檢測單元12的精密位移傳感器11通過夾緊塊13固定連接在壓電精密驅動壓入單元10的柔性鉸鏈5的前端側面，位移信號檢測單元12的探頭擋板3固定連接在載荷信號檢測單元 2的中心。參見圖2及圖4，所述的壓電精密驅動壓入單元10包括柔性鉸鏈5、壓電疊堆驅動器6、預緊螺母19及上下兩個金剛石壓頭4，該柔性鉸鏈5通過方形連接板7與XY軸宏動調整機構23的微動滑臺9連接；壓電疊堆驅動器6設置在柔性鉸鏈5的中心，并通過預緊螺母19能實現壓電疊堆驅動器6的預緊。參見圖3，所述的載荷信號檢測單元2包括十字梁載體壓板14、十字梁載體16及支撐板17，該十字梁載體16通過支撐板17固定在Z軸宏動調整機構15上，并通過十字梁載體壓板14固定該十字梁載體16，十字梁載體16的兩個臂a、b的上下表面分別設置應變片傳感器。所述的位移信號檢測單元12包括精密位移傳感器11、夾緊塊13及探頭擋板3，該精密位移傳感器11通過夾緊塊13固定連接在柔性鉸鏈5的前端側面，探頭擋板3固定在載荷信號檢測單元2的十字梁載體16的中心。參見圖1及圖5，所述的電流信號檢測單元是上下兩個導電的金剛石壓頭4分別設置在柔性鉸鏈5的中心和探頭擋板3的右側，在金剛石壓頭4與柔性鉸鏈5之間、金剛石壓頭4與探頭擋板3之間分別設有一面導電另一面絕緣的墊片。利用直流穩壓電源21和 PA級電流表20進行對試件22的電學信號進行采集。參見圖1至圖5，本發明在實際使用時，用鑷子將被測試件22放在下側的金剛石壓頭4上，并且調節Z軸宏動調整機構15的手柄直到載荷信號檢測單元2檢測到載荷，從而判斷接觸零點。之后通過壓電疊堆驅動器6推動上側的金剛石壓頭4進行耦合特性的測試。在測試過程中，計算機控制單元通過相關的采集電路同步記錄精密位移傳感器11和載荷信號檢測單元2中的應變片的輸出信號，送入計算機，實現控制和數據采集，同時利用pA 級電流表20和直流穩壓電源21對測試過程中的電流信號的變化進行采集，并通過電流表 20將信號傳送到計算機，之后根據相關的算法換算得到力學特性以及力學和電學的耦合特性。
權利要求
1.一種小型化力學和電學耦合特性測試裝置，包括ζ軸宏動調整機構(15)，XY軸宏動調整機構(23)；其特征在于還包括壓電精密驅動壓入單元(10)、載荷信號檢測單元(2)、 位移信號檢測單元(12)及電流信號檢測單元，其中，所述Z軸宏動調整機構(15)設置在底座(18)上，XY軸宏動調整機構(23)設置在上支撐板(8)內面，該底座(18)通過側支撐板 (1)與上支撐板(8 )連接；所述壓電精密驅動壓入單元(10 )通過方形連接板(7 )與XY軸宏動調整機構(23)的微動滑臺(9)連接；所述載荷信號檢測單元(2)通過支撐板(17)與Z軸宏動調整機構(15)連接；所述位移信號檢測單元(12)的精密位移傳感器(11)通過夾緊塊(13)固定連接在壓電精密驅動壓入單元(10)的柔性鉸鏈(5)的前端側面，位移信號檢測單元(12)的探頭擋板(3)固定連接在載荷信號檢測單元(2)的中心。
2.根據權利要求1所述的小型化力學和電學耦合特性測試裝置，其特征在于所述的壓電精密驅動壓入單元(10)包括柔性鉸鏈(5)、壓電疊堆驅動器(6)、預緊螺母(19)及上下兩個金剛石壓頭(4)，該柔性鉸鏈(5)通過方形連接板(7)與XY軸宏動調整機構(23)的微動滑臺(9)連接；壓電疊堆驅動器(6)設置在柔性鉸鏈(5)的中心，并通過預緊螺母(19)預緊。
3.根據權利要求1所述的小型化力學和電學耦合特性測試裝置，其特征在于所述的載荷信號檢測單元(2)包括十字梁載體壓板(14)、十字梁載體(16)及支撐板(17)，該十字梁載體(16)通過支撐板(17)固定在Z軸宏動調整機構(15)上，并通過十字梁載體壓板(14)固定該十字梁載體(16)，十字梁載體(16)的兩個臂的上下表面分別設置應變片傳感
4.根據權利要求1所述的小型化力學和電學耦合特性測試裝置，其特征在于所述的位移信號檢測單元(12)包括精密位移傳感器(11)、夾緊塊(13)及探頭擋板(3)，該精密位移傳感器(11)通過夾緊塊(13 )固定連接在柔性鉸鏈(5 )的前端側面，探頭擋板(3 )固定在載荷信號檢測單元(2)的十字梁載體(16)的中心。
5.根據權利要求1所述的小型化力學和電學耦合特性測試裝置，其特征在于所述的電流信號檢測單元是上下兩個導電的金剛石壓頭(4)分別設置在柔性鉸鏈(5)的中心和探頭擋板(3)的右側，在金剛石壓頭(4)與柔性鉸鏈(5)之間、金剛石壓頭(4)與探頭擋板 (3)之間分別設有一面導電另一面絕緣的墊片。
全文摘要
本發明涉及一種小型化力學和電學耦合特性測試裝置，屬于機電一體化的精密科學儀器。主要由Z軸宏動調整機構，XY宏動調整機構，壓電精密驅動壓入單元，載荷信號檢測單元、位移信號檢測單元和電流信號檢測單元組成，其中Z軸宏動調整機構安裝在底座上，XY宏動調整機構安裝在上支撐板上，壓電精密驅動壓入單元連接在微動滑臺上，精密位移傳感器固連在壓電精密驅動壓入單元的前端側面，用于載荷信號檢測的貼應變片十字梁傳感器安裝在Z軸宏動調整機構的工作臺上，利用金剛石壓頭對頂砧原理，使用PCD金剛石壓頭對測試過程中材料產生的電學特性的變化進行檢測。本發明具有結構緊湊、體積小巧、精度高等特點。
文檔編號G01N3/00GK102353576SQ20111019033
公開日2012年2月15日 申請日期2011年7月8日 優先權日2011年7月8日
發明者張鎮鵬, 張鵬, 徐利霞, 耿春陽, 趙宏偉, 黃虎 申請人:吉林大學