用於檢測納米材料拉伸和壓縮力學性能的微機械結構的製作方法

2023-09-23 21:28:15

專利名稱：用於檢測納米材料拉伸和壓縮力學性能的微機械結構的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及微機械技術和納米材料科學領域，具體說來是一種微機械結構，用於檢測一維納米材料拉伸和壓縮力學性能的微機械結構，適合用來檢測一維納米材料楊氏模量、拉伸強度、斷裂強度等。
背景技術：
一維納米材料，如納米管、納米線和納米帶等，是具有優異物性的低維納米結構材料，預計在未來的納機電系統、氣體傳感器、納電子和光電子器件領域中將具有廣泛的應用前景。但隨著材料尺寸的減小，當減小到納米時，尺寸效應、表面效應和量子效應等相關效應的凸顯，使得納米材料的一些物理性質與常規體材料有很大的不同，出現許多新奇的特徵。納米材料的力學特徵和行為將直接影響到它的應用，以及由它構成的納米器件和納機電系統的功能，因此，對納米材料力學特徵和行為的研究十分重要。目前，受限於現有的實驗條件和測量技術，對納米材料進行直接力學實驗和測量還相當困難，大多數測量手段基於電子/機械或熱/機械的複合系統。對在承受載荷情況下的納米材料的原位檢測手段，包括利用靜電驅動或熱驅動的微機電系統的拉力測量，原子力顯微鏡輔助的彎曲、壓縮和拉伸測量等，這些測量方法要麼測量不直接，要麼僅能夠定性地測量。大多數定性、直接地測量方法對於作用於樣品的載荷和樣品變形不能同時單獨地測量。利用靜電驅動或熱驅動的測量方法中雖然可以克服上述問題，但具有實施成本高、計算誤差大等缺點，並且易對樣品本身產生影響。綜上所述的研究工作，新型的測量設備和測量方法需能同時測量出一維納米材料承受載荷和變形情況，且對樣品本身無影響。

實用新型內容本實用新型目的在於提供用於檢測納米材料拉伸和壓縮力學性能的微機械結構，該結構能夠同時得到一維納米材料承受載荷和在載荷作用下的變形情況，並在檢測過程中對納米材料本身特性沒有影響。本實用新型的目的是通過下述技術方案來實現的。本實用新型所述的用於檢測納米材料拉伸和壓縮力學性能的微機械結構，包括一個框形支架，其中所述框形支架上通過至少四根對稱的上豎直梁連接兩個相互對稱設置的上層平臺；兩個上層平臺的兩端分別通過下支撐梁支撐於框形支架的支座上；所述兩個上層平臺的下方通過至少四根對稱的斜梁連接一個下層平臺。上述的上層平臺為兩個端部呈針尖狀、且針尖端相對設置用於固定一維納米材料的水平平臺。上述的在上層平臺與下層平臺之間設置有兩組數量相等並且相對於微結構垂直中心線對稱的斜梁。所述斜梁沿上層平臺的兩端向微結構垂直中心線方向對稱傾斜設置，或沿上層平臺垂直中心線方向至下層平臺上檯面兩端對稱傾斜設置。上述的上豎直梁和斜梁分為左右兩組，每組至少採用兩根上豎直梁和兩根斜梁分別上下各兩根連接將支架與上層平臺及下層平臺相連。上述的下層平臺的中部表面開有用於對微機械結構施加載荷的定位孔。上述的下支撐梁為豎直梁或對稱傾斜梁。所述微結構採取多晶矽材質。本實用新型和現有的用於檢測一維納米材料的設備有如下優點I.本實用新型的製備材料是多晶矽，製備工藝與現有的微機械加工工藝相兼容，材料成本低，製備方便，可批量製備。 2.本實用新型在進行一維納米材料檢測時，可同時得到施加在納米材料兩端的載荷和位移，使測量直觀。3.本實用新型在進行一維納米材料檢測時，通過納米壓頭施加載荷，檢測過程中不會對納米材料本身的特性造成影響，保證了檢測的準確性。4.本實用新型中上豎直梁和下支撐梁用於支撐兩個上層平臺，提高了系統的剛度，可有效防止結構自身重力等因素所導致的兩個上層平臺之間距離的變化，這種設計可極大的減弱結構重力作用對納米材料力學性能的影響，保證檢測的準確性。5.本實用新型中兩個上層平臺和下層平臺之間的斜梁，用於兩個上層平臺相對運動的導向。通過改變斜梁的傾斜方向，當下層平臺受到納米壓頭作用力向上運動時，就可以實現兩個上層平臺間距的增大或減小，從而來測量納米材料的拉伸或壓縮的力學性能。6.本實用新型中所涵蓋的微結構既可以測量納米材料的拉伸性能，又有可以測量納米材料的壓縮性能。

圖I (a)是本實用新型實施例I的結構示意圖，用於測試納米材料的拉伸性能。圖I (b)是本實用新型實施例2的結構示意圖，用於測試納米材料的拉伸性能。圖2(a)是本實用新型實施例3的結構示意圖，用於測試納米材料的壓縮性能。圖2(b)是本實用新型實施例4的結構示意圖，用於測試納米材料的壓縮性能。圖3(a)-圖3(j)是製作本實用新型結構過程示意圖。圖4(a)-圖4(c)是本實用新型實施例I的力學性能仿真結果圖。圖中101、框型支架；102、上豎直梁；103、下支撐梁；104、上層平臺；105、斜梁；106下層平臺。
具體實施方式
以下結合附圖1-2進一步說明本實用新型的結構。如圖1(a)所示，為本實用新型具有四根上豎直梁、兩根下支撐梁和四根斜梁(與上層平臺夾角為26度)的一個實施例示意圖，用於測試納米材料的拉伸性能。該檢測一維納米材料力學性能的微結構包括一個框形支架101，其中設置有六根豎直梁，包括上部四根上豎直梁102，下部兩根下支撐梁103 (為豎直梁)，用於整個微機械結構的支撐定位，一端與框型支架101相連，一端與微機械結構的上層平臺104相連。[0031]其中，框形支架101上通過四根上豎直梁102連接兩個相互對稱設置的上層平臺104 ;兩個上層平臺104的兩端通過下支撐梁103支撐於框型支架101的支座上；兩個上層平臺104的下方分別通過四根斜梁105連接一個下層平臺106，兩組斜梁105沿上層平臺104的兩端向微結構垂直中心線方向對稱傾斜設置，將下層平臺106的豎直方向的位移和載荷轉換成上層平臺104水平方向的位移和載荷。其中，上層平臺104分為對稱的左右兩部分，分別和三根豎直梁(包括兩根上豎直梁102、一根下支撐梁103)、兩根斜梁104相連。位於微機械結構中部的上層平臺104水平設置，其端部被製備成尖狀、且其尖端成對設置，用於固定被測試的納米材料。其中，在上層平臺104與下層平臺106之間設置有與上豎直梁102有相同的數量的斜梁105。上豎直梁102和斜梁105分為左右兩組，上豎直梁102和斜梁105分別上下各兩根將支架101與上層平臺104及下層平臺106相連。 其中，下層平臺106的中部表面開有用於對微機械結構施加載荷的定位孔，用於對微機械結構施加載荷。載荷施加在平臺底部，可在豎直方向上產生位移。本實用新型的微結構採取多晶矽材質。如圖1(b)所示，為本實用新型具有四根上豎直梁、兩根下支撐梁和四根斜梁(與上層平臺夾角為26度)的實施例2示意圖，用於測試納米材料的拉伸性能。該結構與實施例I基本相同，其區別在於下支撐梁103為對稱傾斜梁，可以使得微結構在保證「減小重力等因素引起的測試誤差」的前提下，減小系統剛度，從而提高力的轉化係數。如圖2(a)所示，為本實用新型具有四根上豎直梁、兩根下支撐梁和四根斜梁(與上層平臺夾角為26度)的實施例3示意圖，用於測試納米材料的壓縮性能。該結構與實施例I類似，其區別在於斜梁105的兩組傾斜方向分別與對應的實施例I中的斜梁的傾斜方向相反。兩組斜梁105沿上層平臺104垂直中心線方向至下層平臺106上檯面兩端對稱傾斜設置。根據機構運動學，當下層平臺106受到垂直向上的壓力而向上運動時，兩個上層平臺104的間距會減小，從而使得納米材料受到壓縮力的作用。如圖2(b)所示，為本實用新型具有四根上豎直梁、兩根下支撐梁和四根斜梁(與上層平臺夾角為26度)的實施例4示意圖，用於測試納米材料的壓縮性能。該結構與實施例2類似，其區別在於斜梁105的兩組傾斜方向分別與對應的實施例I中的斜梁的傾斜方向相反。兩組斜梁105沿上層平臺104垂直中心線方向至下層平臺106上檯面兩端對稱傾斜設置。
以下結合附圖3進一步說明本實用新型的製備過程。參照圖3(a)，01為設備層，材料選取多晶矽，厚度約為10 μ m ;02為犧牲層，材料為氧化矽；03為矽基底；04為保護層；05為一次光刻膠；06為二次光刻膠。參照圖3(b),在設備層表面塗布一層光刻膠05。參照圖3(c)，刻蝕光刻膠，形成微機械結構圖形。參照圖3(d)，刻蝕設備層，形成微機械結構。參照圖3(e)，清除光刻膠。參照圖3(f)，在已刻蝕好的設備層和保護層表面塗布光刻膠06。參照圖3(g)，刻蝕保護層光刻膠，尺寸為觀察窗口大小。參照圖3 (h)，刻蝕保護層。[0048]參照圖3(i)，刻蝕基底，形成觀察窗。參照圖3(j)，清除光刻膠及保護層，與觀察窗口處的犧牲層。
以下結合附圖4進一步說明本實用新型的效果。在實施例I中兩個上層平臺之間，放置並固定一根納米線，其剛度從O 3800N/m (等效納米線的楊氏模量為O 2. 6 X IO11Pa)之間變化；並在下層平臺的幾何中心施加一個垂直向上的壓力F，基於此來仿真實施例I的力學性能。如圖4(a)-圖4(c)所示，給出了實施例I的在測試納米材料力學性能的仿真圖。圖4(a)為力轉換係數的仿真圖，圖4(b)為位移轉化係數的仿真圖，圖4(c)為系統剛度的仿真圖。此處，定義「力轉化係數」為納米線的軸向受力與F之比；定義「位移轉化係數」為納米線的長度變化與下層平臺在F方向上位移的變化之比；定義「系統剛度」為F與下層平臺在F方向上位移的變化之比。·由圖4(a)可以看出，當納米線剛度由零逐漸增大到3800N/m時,微結構的力轉化係數逐漸增大，並趨近於100%。由圖4(b)可以看出，當納米線剛度逐漸增大時，微結構的位移轉化係數略有下降，最低約70%。由圖4(c)可以看出，當納米線剛度逐漸增大時，微結構的系統剛度逐漸增大。從圖中可知，採取本實用新型的微結構提高了系統的剛度；能同時測量出一維納米材料承受載荷和變形情況，且對樣品本身無影響。以上所述，僅為本實用新型較佳的具體實施方式
，但本實用新型的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本實用新型揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本實用新型的保護範圍之內。
權利要求1.用於檢測納米材料拉伸和壓縮力學性能的微機械結構，包括一個框形支架(101)，其特徵在於所述框形支架(101)上通過至少四根対稱的上豎直梁(102)連接兩個相互對稱設置的上層平臺(104);兩個上層平臺(104)的兩端分別通過下支撐梁(103)支撐於框形支架(101)的支座上；所述兩個上層平臺(104)的下方通過至少四根対稱的斜梁(105)連接一個下層平臺(106)。
2.根據權利要求I所述的用於檢測納米材料拉伸和壓縮力學性能的微機械結構，其特徵在於所述上層平臺(104)為兩個端部呈針尖狀、且針尖端相對設置用於固定一維納米材料的水平平臺。
3.根據權利要求I所述的用於檢測納米材料拉伸和壓縮力學性能的微機械結構，其特徵在於所述在上層平臺(104)與下層平臺(106)之間設置有兩組數量相等並且相對於微結構垂直中心線對稱的斜梁(105)。
4.根據權利要求3所述的用於檢測納米材料拉伸和壓縮力學性能的微機械結構，其特徵在於所述斜梁(105)沿上層平臺(104)的兩端向微結構垂直中心線方向對稱傾斜設置，或沿上層平臺(104)垂直中心線方向至下層平臺(106)上檯面兩端對稱傾斜設置。
5.根據權利要求I或3所述的用於檢測納米材料拉伸和壓縮力學性能的微機械結構，其特徵在於所述上豎直梁(102)和斜梁(105)分為左右兩組，每組至少採用兩根上豎直梁(102)和兩根斜梁(105)分別將框形支架(101)與上層平臺(104)及下層平臺(106)相連。
6.根據權利要求I所述的用於檢測納米材料拉伸和壓縮力學性能的微機械結構，其特徵在於所述下層平臺(106)的中部表面開有用於對微機械結構施加載荷的定位孔。
7.根據權利要求I所述的用於檢測納米材料拉伸和壓縮力學性能的微機械結構，其特徵在於所述下支撐梁(103)為豎直梁或對稱傾斜梁。
專利摘要本實用新型公開了用於檢測納米材料拉伸和壓縮力學性能的微機械結構，包括一個框形支架，所述框形支架上通過至少四根對稱的上豎直梁連接兩個相互對稱設置的上層平臺，被測納米材料固定於兩個上層平臺之間；兩個上層平臺的兩端分別通過下支撐梁支撐於框形支架的支座上；所述兩個上層平臺的下方通過至少四根對稱的斜梁連接一個下層平臺，下層平臺用於施加外部載荷。該微結構的製備材料為多晶矽，製備工藝與現有的矽微機械加工工藝相兼容，可批量製備。能夠同時得到一維納米材料承受的載荷和在載荷作用下的變形情況，並在檢測過程中對納米材料本身特性沒有影響。
文檔編號G01N3/02GK202614584SQ20122003284
公開日2012年12月19日 申請日期2012年2月2日 優先權日2012年2月2日
發明者王衛東, 易成龍, 郝躍, 牛翔宇, 紀翔 申請人:西安電子科技大學