微机械力学性能测试仪

　　微机械有着广阔的应用前景，可应用于生物医学、航空航天、军事、工业、农业、交通、信息以及家庭，如细胞操作、精细外科手术、排除人体血管的血栓、定位定量施药;微卫星中的微惯导装置、微型仪表、微型飞机;分布式战场传感器网络;狭窄空间及特殊工况下的维修微机器人;农业基因工程、环境监测;汽车自动驾驶及安全保障系统;通讯和计算设备等等。

　　微机械尺寸小到微米级，属于介观和微观尺度，受到加工工艺、尺寸效应、表面缺陷等的影响，许多力学性能与宏观尺度下有所差别。与之相关的基础理论问题如微流体、微润滑、微构件服役性能等必须得以解决，使系统的设计、制造等有据可依，从而推动MEMS系统的开发和产业化。

　　微构件的力学性能主要包括硬度、弹性模量、屈服强度、断裂强度、疲劳强度等。对于微构件力学性能的测试，目前国内外已经发展了一些方法和测试仪器，如用振动技术测量一个板的残余应力，用静电驱动的试验装置测量微机电系统的材料性能(如杨氏模量、残余应力)，硅微机电系统的临界裂纹生长的试验，用悬臂梁和薄膜扩管试验方法测量薄膜的机械性能(如杨氏模量、断裂强度)。我们也进行了一些微机械力学性能研究:用电磁加载的微冲击试验台进行断裂韧性和疲劳强度的测试，用固有频率测微悬臂梁的杨氏模量和内应力厂。除此之外，日本的一些研究单位通过小型拉伸机进行弹性模量的测试，Sha甲等人开发了一种小型拉伸机(测量泊松比)。从已报道的文献看，还没有真正的微构件专用力学性能测试仪，大多是测量方法的探讨，没有形成完整的仪器。

　　一些测试实验设计巧妙，例如上面提到日本研制的小体积材料性能测试机，通过专门的工艺制造微小试件，试件两端粘结在拉伸机的卡具上，通过拉伸试验得到杨氏模量、泊松比、屈服极限等，但试件制造较麻烦，且由于尺寸、工艺的影响，试件测试性能和实际构件的实用性能不完全一致。由于微小构件尺寸微小，夹持困难，因此必须研究一种使用简单、能进行包括薄膜、微构件、各种微小体积材料的力学性能测试仪。

　　本文研制一台适于微构件力学性能的测试仪。

　　测试仪可采用多种加载头对微小构件进行微米深度(1一50μm微米)的压入，力的分辨率为0.1μN得到载荷—位移曲线、保载曲线等，通过分析该曲线得到硬度、弹性模量、屈服强度、硬化指数、断裂韧性性能指标，进一步分析还可以得到构件的残余应力等;还可以实现1mm大位移加载，测量微悬臂梁的性能，此时只需要实现位移量的加载，加载力最大为10N，力的分辨率为10μN。早在100多年前，压人法进行材料性能的测试就已经存在，当时主要用于测量块体材料的硬度，随着压人技术的发展，人们通过对压人力和压痕形状的观测，可以得到塑性指标。在能够同步精确记载载荷—位移曲线后，便可通过卸载时曲线的卸载斜率得到材料的弹性模量、对加载曲线的分析得到屈服极限。由于载荷—位移曲线包含了丰富的信息，人们通过研究加载、卸载曲线得到硬化指数。目前还有通过压痕裂纹的测量获取断裂韧性、测量保载得到材料蠕变性能的研究〕。