一種微納材料力學性能檢測結構的製作方法
2024-04-01 22:20:05
一種微納材料力學性能檢測結構的製作方法
【專利摘要】本發明提出一種微納材料力學性能檢測結構，包括後屈曲式微力檢測結構和電熱式屈曲預加載結構，其中，電熱式屈曲預加載結構在通電流後能夠發熱變形以實施預加載；當電熱式屈曲預加載結構未實施預加載時，後屈曲式微力檢測結構處於自然的無加載狀態，當電熱式屈曲預加載結構實施預加載時，後屈曲式微力檢測結構被軸向壓縮，處於預加載屈曲平衡狀態，然後後屈曲式微力檢測結構受到試件的軸向微力作用，預加載屈曲平衡狀態發生改變，使後屈曲式微力檢測結構發生放大的橫向結構變化，從而實現微力檢測。本發明具有尺寸小、穩定可靠，可重複使用，容易製造，對軸向微力敏感，力解析度高，橫向變形可控制，有預加載功能等優點。
【專利說明】一種微納材料力學性能檢測結構
【技術領域】
[0001]本發明涉及微納材料力學測試【技術領域】，具體涉及一種微納材料力學性能檢測結構。
【背景技術】
[0002]隨著微納米技術的快速發展，微尺度材料和結構在各個領域得到了廣泛的應用，如材料科學、微電子、生物、醫學以及微機電系統等等。而當材料的尺寸減小到微納米尺度時，由於一些物理化學效應，導致結構發生一些變化，使得它的材料特性與宏觀尺度的截然不同，那麼對這些微納米尺度的材料和結構的力學性能研究就變得十分重要。
[0003]研究微納材料力學性能時，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。傳統的加載塊和測力塊已經無法適用，所以研究適用於微納米尺度實驗研究的設備成為必要。
[0004]由胡克定律F=k*x可知，為達到高解析度的力，就要降低彈簧常數k，或者增加位移解析度。例如，對於現有商業AFM探針顯微鏡，已有埃量級的位移解析度，彈簧常數已經達到0.1?0.ΟΙΝ/m，而對這些傳統的懸臂式傳感器來說，提高力解析度是非常困難的，因為進一步減小彈簧常數會受到內部的熱燥以及結構不穩定等因素影響；而位移解析度幾乎已經不能再提高。況且這種懸臂式探針傳感器靈敏方向是垂直於懸臂梁的，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構。
[0005]由材料力學知道，對於細長杆受軸向壓力作用，當軸向壓力值超過臨界載荷的時候，會發生突然的橫向失穩，之後，軸向力增加微小值時，沿杆軸向有很小的位移，而沿杆的橫向會發生很大的變形，能比軸向的高兩個數量級，從而可以利用橫向的大變形放大軸向的微小變形。而注意到壓杆橫向變形的方向是與壓杆上缺陷和壓杆形狀有關，所以，可採用初始利用矩形截面杆並在杆中間部位預製缺陷的方法，使得結構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構，需在傳感器製作完成後，通過驅動壓電陶瓷施加預屈曲力，使細長壓杆發生屈曲,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、重複性差、成本高，不利於後屈曲微力檢測傳感結構的使用。
【發明內容】
[0007]本發明旨在至少解決現有技術中存在的技術問題之一。
[0008]為此，本發明的目的在於提出一種適用於微納材料力學性能檢測的微納材料力學性能檢測結構。
[0009]為了實現上述目的，根據本發明實施例的微納材料力學性能檢測結構，可以包括:後屈曲式微力檢測結構和電熱式屈曲預加載結構，所述後屈曲式微力檢測結構與所述電熱式屈曲預加載結構相連，其中，所述電熱式屈曲預加載結構被構造為通電流後能夠發熱變形以實施預加載；所述後屈曲式微力檢測結構被構造為當所述電熱式屈曲預加載結構未實施預加載時，所述後屈曲式微力檢測結構處於自然的無加載狀態，當電熱式屈曲預加載結構實施預加載時，所述後屈曲式微力檢測結構被軸向壓縮，處於預加載屈曲平衡狀態，然後所述後屈曲式微力檢測結構受到試件的軸向微力作用，所述預加載屈曲平衡狀態發生改變，使所述後屈曲式微力檢測結構發生放大的橫向結構變化，從而實現微力檢測。
[0010]根據本發明實施例的微納材料力學性能檢測結構，整體結構尺寸小、結構穩定、可靠性高，可重複使用，製造比較容易；對軸向微力非常敏感，力解析度超高，橫向變形可控制；有預加載功能，能夠通過控制電壓使檢測結構進入測量所需的後屈曲狀態，非常適用於微納材料力學性能檢測。
[0011]另外，根據本發明實施例的微納材料力學性能檢測結構還可以具有如下附加技術特徵:
[0012]在本發明的一個實施例中，所述後屈曲式微力檢測結構為平面型軸對稱結構，具體包括:懸浮的微力檢測中心杆與微力感測塊，所述微力檢測中心杆位於對稱軸線上，所述微力檢測中心杆的一端與試件相連，另一端與所述微力感測塊的中點相連，微力檢測中心杆與所述微力感測塊呈T型連接；懸浮的第一柔性壓杆、第二柔性壓杆、第三柔性壓杆和第四柔性壓杆，所述第一柔性壓杆、第二柔性壓杆、第三柔性壓杆和第四柔性壓杆的材料相同、長度相等、均與所述對稱軸平行，所述第一柔性壓杆、第二柔性壓杆關於所述對稱軸對稱，所述第三柔性壓杆、第四柔性壓杆關於所述對稱軸對稱，其中，所述第一柔性壓杆的一端和所述第二柔性壓杆的一端與所述微力感測塊的一側相連，所述第三柔性壓杆的一端和所述第四柔性壓杆的一端與所述微力感測塊的另一側相連，所述第一柔性壓杆的另一端與第一固定塊相連以固定，所述第二柔性壓杆的另一端與第二固定塊相連以固定；懸浮的可動預加載橫梁，所述可動預加載橫梁的一側與所述第三柔性壓杆的另一端和所述第四柔性壓杆的另一端相連，所述可動預加載橫梁的另一側與所述電熱式屈曲預加載結構相連。
[0013]在本發明的一個實施例中，所述第一柔性壓杆、第二柔性壓杆、第三柔性壓杆和第四柔性壓杆的長寬比大於100。
[0014]在本發明的一個實施例中，所述第一柔性壓杆、第二柔性壓杆、第三柔性壓杆和第四柔性壓杆在受到壓力時朝著兩側方向凸出變形。
[0015]在本發明的一個實施例中，所述電熱式屈曲預加載結構中包括與所述後屈曲式微力檢測結構相連的懸浮電熱結構，所述懸浮電熱結構因通電流產生焦耳熱而發生形變，推動所述可動預加載橫梁，所述第一柔性壓杆、第二柔性壓杆、第三柔性壓杆和第四柔性壓杆受軸向力作用被軸向壓縮，處於屈曲狀態。
[0016]在本發明的一個實施例中，所述電熱式屈曲預加載結構為平面型軸對稱結構，具體包括:第一懸浮電熱結構和第二懸浮電熱結構，所述第一懸浮電熱結構和第二懸浮電熱結構材料相同、長度相等，二者關於所述對稱軸對稱且呈夾角，其中，所述第一懸浮熱電結構的一端和所述第二懸浮熱電結構的一端共同地與所述後屈曲式微力檢測結構相連，所述第一懸浮熱電結構的另一端與第三固定塊相連以固定所述第二懸浮熱電結構的另一端與第四固定塊相連以固定。
[0017]本發明的附加方面和優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，或通過本發明的實踐了解到。【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]本發明的上述和/或附加的方面和優點從結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是本發明一個實施例的微納材料力學性能檢測結構中後屈曲式微力檢測結構的示意圖；
[0020]圖2是本發明一個實施例的微納材料力學性能檢測結構中電熱式屈曲預加載結構的示意圖；
[0021]圖3A和圖3B分別是根據本發明一個實施例的微納材料力學性能檢測結構未預加載時的立體不意圖和俯視圖；
[0022]圖4A和圖4B分別是根據本發明一個實施例的微納材料力學性能檢測結構未預加載時的立體不意圖和俯視圖；
[0023]圖5是根據本發明一個實施例的微納材料力學性能檢測結構完成預加載時的俯視圖；
[0024]圖6是根據本發明一個實施例的微納材料力學性能檢測結構測試軸向壓力作用時的俯視圖；
[0025]圖7是根據本發明一個實施例的微納材料力學性能檢測結構測試軸向拉力作用時的俯視圖。
【具體實施方式】
[0026]下面詳細描述本發明的實施例，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，旨在用於解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。
[0027]本發明提出一種微納材料力學性能檢測結構，包括後屈曲式微力檢測結構I和電熱式屈曲預加載結構2。後屈曲式微力檢測結構I與電熱式屈曲預加載結構2相連。其中，電熱式屈曲預加載結構2被構造為通電流後能夠發熱變形以實施預加載。後屈曲式微力檢測結構I被構造為:當電熱式屈曲預加載結構2未實施預加載時，後屈曲式微力檢測結構I處於自然的無加載狀態。當電熱式屈曲預加載結構2實施預加載時，後屈曲式微力檢測結構I被軸向壓縮，處於預加載屈曲平衡狀態。然後該後屈曲式微力檢測結構I受到試件的軸向微力作用，預加載屈曲平衡狀態發生改變，使後屈曲式微力檢測結構I發生放大的橫向結構變化，從而實現微力檢測。
[0028]根據本發明實施例的微納材料力學性能檢測結構，整體結構尺寸小、結構穩定、可靠性高，可重複使用，製造比較容易；對軸向微力非常敏感，力解析度超高，橫向變形可控制；有預加載功能，能夠通過控制電壓使檢測結構進入測量所需的後屈曲狀態，非常適用於微納材料力學性能檢測。
[0029]在本發明的一個實施例中，後屈曲式微力檢測結構I為平面型軸對稱結構，如圖1所示，具體包括:微力檢測中心杆101、微力感測塊102、第一柔性壓杆103、第二柔性壓杆104、第三柔性壓杆105、第四柔性壓杆106、第一固定塊107、第二固定塊108和可動預加載橫梁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，在預加載前、後和測試時間位置均不變。其餘構件均處於懸浮狀態，其形狀或位置可能因外力作用而變化。
[0030]微力檢測中心杆101位於對稱軸線上。微力檢測中心杆101的一端與試件相連，另一端與微力感測塊102的中點相連。微力檢測中心杆101與微力感測塊102呈T型連接。
[0031]第一柔性壓杆103、第二柔性壓杆104、第三柔性壓杆105和第四柔性壓杆106的材料相同、長度相等、均與對稱軸平行。其中，第一柔性壓杆103和第二柔性壓杆104關於對稱軸對稱，第三柔性壓杆105和第四柔性壓杆106關於對稱軸對稱。第一柔性壓杆103的一端和第二柔性壓杆104的一端與微力感測塊102的一側(例如圖1所示的左側)相連。第三柔性壓杆105的一端和第四柔性壓杆106的一端與微力感測塊102的另一側(例如圖1所示的右側)相連。第一柔性壓杆103的另一端與第一固定塊107相連以固定。第二柔性壓杆104的另一端與第二固定塊108相連以固定。第一柔性壓杆103、第二柔性壓杆104、第三柔性壓杆105和第四柔性壓杆106形狀細長，優選它們的長寬比大於100，這時該微納材料力學性能檢測結構的軸線微力敏感，橫向變形較大，測試的靈敏度和精度較高。此外，第一柔性壓杆103、第二柔性壓杆104、第三柔性壓杆105和第四柔性壓杆106中可以通過預製缺陷或者通過其他工藝，以使第一柔性壓杆103、第二柔性壓杆104、第三柔性壓杆105和第四柔性壓杆106被構造成在受到壓力(預加載時受到的屈曲壓力、以及測試時受到的屈曲壓力)時朝著兩側凸出變形，這時橫向變形可控制。
[0032]可動預加載橫梁109的一側(例如圖1所示的左側)與第三柔性壓杆105的另一端和第四柔性壓杆106的另一端相連，可動預加載橫梁109的另一側(例如圖1所示的右側)與電熱式屈曲預加載結構2相連。
[0033]在本發明的一個實施例中，電熱式屈曲預加載結構2中包括與所述後屈曲式微力檢測結構I相連的懸浮電熱結構，該懸浮電熱結構因通電流產生焦耳熱而發生形變，推動可動預加載橫梁109，使得第一柔性壓杆103、第二柔性壓杆104、第三柔性壓杆105和第四柔性壓杆106受軸向力作用被軸向壓縮，處於屈曲狀態。
[0034]在本發明的一個實施例中，電熱式屈曲預加載結構2為平面型軸對稱結構，如圖2所示，具體可以包括第一懸浮電熱結構201、第二懸浮電熱結構202、第三固定塊203和第四固定塊204。第三固定塊203和第四固定塊204固定在測試平臺的基座上，在預加載前、後和測試時間位置均不變。其餘構件均處於懸浮狀態，其形狀或位置可能因外力作用而變化。
[0035]第一懸浮電熱結構201和第二懸浮電熱結構202材料相同，均為具有電阻值的導體，能夠在電流作用下產生焦耳熱，發生熱膨脹形變。第一懸浮電熱結構201和第二懸浮電熱結構202長度相等。第一懸浮電熱結構201和第二懸浮電熱結構202關於對稱軸對稱且呈夾角。第一懸浮熱電結構201的一端與第二懸浮熱電結構202的一端共同地與後屈曲式微力檢測結構I相連。例如，第一懸浮熱電結構201的一端與第二懸浮熱電結構202的一端共同地與可動預加載橫梁109的另一側(如圖2所示的右側)相連。第一懸浮熱電結構201的另一端與第三固定塊203相連以固定。第二懸浮熱電結構201的另一端與第四固定塊204相連以固定。
[0036]下面結合圖3A至圖7詳細描述本發明一個實施例的微納材料力學性能檢測結構的其他細節特徵以及工作過程。
[0037]圖3A和圖3B分別是根據本發明一個實施例的微納材料力學性能檢測結構未預加載時的立體示意圖和俯視圖。如圖3A和圖3B所示，此時懸浮電熱結構201和202未通電流(例如在擋塊203和204兩端加電壓)，微納材料力學性能檢測結構未實施預加載，處於自然的無加載狀態。其中:整個微力檢測結構設置在某個平面襯底上(該平面襯底未示出)，四個固定塊107、108、203和204固定在平面襯底上，這些固定塊的厚度略大於其他構件的厚度(如圖3B所示)，這樣可以使得其他構件懸空。四個柔性壓杆103、104、105和106對稱設置，具有非常高的長寬比(例如長3_，寬2 μ m，厚12 μ m)，這樣的形貌使得柔性壓杆極易發生平面內橫向失穩，朝著001方向或002方向屈曲。為了使得柔性壓杆沿著所希望的某一個方向發生屈曲，可以使得每根柔性壓杆自身不對稱。在該實施例中，對於柔性壓杆103和105沿001方向有初始微彎曲，對於柔性壓杆104和106沿002方向有初始微彎曲。
[0038]圖4A和圖4B分別是根據本發明一個實施例的微納材料力學性能檢測結構處於預加載時的立體示意圖和俯視圖。如圖4A和圖4B所示，懸浮電熱結構201和202通電流產生焦耳熱，發生熱膨脹形變，使得懸浮電熱結構201和202均勻伸長。由於固定塊203和204是固定不動的，而變形需要達到協調，所以懸浮電熱結構201和202的伸長變形推動可動預加載橫梁109移動，從而會直接在柔性壓杆105和106的端部施加軸線壓力P,根據力的傳導特性，也會間接在柔性壓杆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杆上，當P Pra時，各個柔性壓杆沿著自身初始缺陷方向發生橫向屈曲，最大位移在各個柔性壓杆的中間位置，對於柔性壓杆103和105沿001方向屈曲，對於柔性壓杆104和106沿002方向屈曲。屈曲後的柔性壓杆的橫向變形與軸向變形之間有一定的關係，實際上橫向變形能比軸向位移高出兩個數量級，也就是起到了有效放大的作用。實際使用製造完備的微納材料力學性能檢測結構時，通過測量橫向變形的大小輸出微力檢測中性杆上所受到的力。需要說明的是，當除去施加在懸浮電熱結構201和202上的電壓時，懸浮電熱結構201和202收縮，載荷P釋放，柔性壓杆103、104、105和106逐漸恢復直線狀態，整個微納材料力學性能檢測結構恢復到初始狀態。也就是說，對於該微納材料力學性能檢測結構，通過控制驅動電壓大小可以連續地控制懸浮熱電結構的伸長量，從而逐漸施加端部載荷P，使得柔性壓杆進入屈曲，也就是實現預加載。同時可以看出，該微納材料力學性能檢測結構可控性比較高，重複性也很高。需要注意的是，在柔性壓杆受到臨界載荷Pra的時候，柔性壓杆內最大應力還遠小於臨界斷裂應力，所以柔性壓杆始終不會斷裂。
[0039]在控制電熱式屈曲預加載結構2上電壓大小使得後屈曲微力檢測結構I進入預加載狀態後，即如圖5所示之後，保持所施加的電壓值不變，即保持柔性壓杆的橫向變形最大值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杆101的左端部，從而實現對被檢測試件的拉伸或者壓縮。
[0040]當壓縮連接在微力檢測中心杆101上的試件時，微力檢測中心杆101也受到軸向壓力作用，軸向壓力傳遞到微力感測塊102上。位於微力感測塊102右側的柔性壓杆105和106上所受軸向壓力增大，所以橫向最大變形D2增大。而位於微力感測塊102左側的柔性壓杆103和104上所受軸向壓力減小，所以橫向最大變形Dl減小。此時後屈曲微力檢測結構形貌如圖6所示。通過實驗技術檢測得到Dl和D2大小後，查閱之前標定得到的微力和橫向變形差值的對應關係，就可以得到微力檢測中心杆受到的載荷大小，即試件所受軸向微力大小。[0041]需要說明的是，對微納材料力學性能檢測結構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杆上受到的微力大小與柔性壓杆的橫向變形差之間的一一對應關係。在實際使用的時候，通過在光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡下直接觀測柔性壓杆橫向變形的差值，或者採用一些間接觀測的方法得到柔性壓杆橫向變形差。例如:(1)利用電容的方法:在柔性壓杆的橫向變形最大處噴塗金粉，與周圍封裝容器或其他設備形成電容器，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:在柔性壓杆中間位置的側邊沉積電阻，通過壓杆的變形導致應變，引起半導體電阻的變化，由電阻的變化得到橫向變形信息。(3)利用光槓桿的方法:將雷射束打到杆的側邊，通過雷射的光斑位置的變化得到杆變形角度的信息，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關係，就可以得到微力檢測中心杆受到的載荷大小。
[0042]同理，當拉伸連接在微力檢測中心杆101上的試件時，同時微力檢測中心杆101也受到軸向拉力作用，軸向拉力傳遞到微力感測塊302上。位於微力感測塊102右側的柔性壓杆105和106上所受軸向壓力減小，所以橫向最大變形D2減小。而位於微力感測塊102左側的柔性壓杆103和104上所受軸向壓力增大，所以橫向最大變形Dl增大。此時後屈曲微力檢測結構形貌如圖7所示。通過實驗技術檢測得到Dl和D2大小後，查閱之前標定得到的微力和橫向變形差值的對應關係，就可以得到微力檢測中心杆受到的載荷大小，即試件所受軸向微力大小。
[0043]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。
[0044]由於該微納材料力學性能檢測結構的電熱式屈曲預加載結構有預加載功能，具體通過固定塊對懸浮電熱結構施加電壓，懸浮電熱結構在電流作用下產生焦耳熱，發生熱膨脹形變，從而壓縮後屈曲式微力檢測結構。對於預加載結構，當電壓值超過某一臨界值，對應作用在長壓杆上的力超過臨界載荷時，長壓杆會屈曲產生橫向失穩，此後，軸向力增加微小數值時，橫向變形增加很多，藉此放大微小的軸向變形。那麼當微力檢測中心杆上受到微牛乃至皮牛量級的力時，處於失穩狀態的長壓杆也會在橫向發生很大的變形，便於測量。也就是說該傳感器對應的彈簧常數很小，顯著提高了力解析度。另外，由於該結構是對稱的，有效保證了使用過程中的穩定性。總之，這種微納材料力學性能檢測結構整體結構尺寸小，同時結構穩定、可靠性高且可重複使用，製造比較容易；對軸向微力非常敏感，力解析度超高，橫向變形可控制；有預加載功能，能夠通過控制電壓使得初始狀態時壓杆處於後屈曲狀態，也就是工作狀態。
[0045]需要說明的是，本發明的微納材料力學性能檢測結構的具體實現方法有多種。其中一種實現方法是，先通過機械加工的方法製造出每一個小部件，然後選擇一個合適的襯底，將各個結構部件按照設計的連接方式粘接起來或者依靠其他方式組裝。另一種實現方法是，利用微電子加工工藝在矽片上通過沉積薄膜和選擇性刻蝕和腐蝕的方法加工實現，例如選擇使用矽氧化物絕緣體(SOI)晶片，以矽為襯底層材料，二氧化矽作為犧牲層材料，二氧化矽層上再覆蓋一層矽。首先在最上面的矽層上塗光刻膠，曝光(利用輻照的方法，如光學、X-射線、電子束或離子束)，將掩膜板上的圖形轉移到光刻膠上，然後用光刻膠作為掩膜層通過刻蝕工藝，如深層反應離子刻蝕法(DRIE)刻蝕矽層，將光刻膠上的圖形轉換到矽層。再通過使用氫氟酸(HF)刻蝕二氧化矽層。合適地控制氫氟酸的刻蝕時間，使得二氧化矽被溶解，最後使用丙酮溶液去除光刻膠得到所需要的矽MEMS器件，注意此時該微納材料力學性能檢測結構的四個固定塊直接形成於矽片襯底表面。
[0046]本發明公開的微納材料力學性能檢測結構非常適應於微納材料力學性能檢測領域，它可根據設計尺度的調整而廣泛應用於毫牛、納牛至皮牛跨尺度的微力的測量。該傳感設備可以用於真空、空氣、液體、電磁場等環境中。由於結構尺寸非常小，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實驗，如碳納米管的拉伸與壓縮、彎曲等等。
[0047]在本發明的描述中，需要理解的是，術語「中心」、「縱向」、「橫向」、「長度」、「寬度」、「厚度」、「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「豎直」、「水平」、「頂」、「底」 「內」、「外」、「順時針」、「逆時針」、「軸向」、「徑向」、「周向」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，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、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。
[0048]此外，術語「第一」、「第二」僅用於描述目的，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特徵的數量。由此，限定有「第一」、「第二」的特徵可以明示或者隱含地包括一個或者更多個該特徵。在本發明的描述中，「多個」的含義是兩個或兩個以上，除非另有明確具體的限定。
[0049]在本發明中，除非另有明確的規定和限定，術語「安裝」、「相連」、「連接」、「固定」等術語應做廣義理解，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，可以是兩個元件內部的連通或兩個元件的相互作用關係。對於本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。
[0050]在本發明中，除非另有明確的規定和限定，第一特徵在第二特徵「上」或「下」可以是第一和第二特徵直接接觸，或第一和第二特徵通過中間媒介間接接觸。而且，第一特徵在第二特徵「之上」、「上方」和「上面」可是第一特徵在第二特徵正上方或斜上方，或僅僅表示第一特徵水平高度高於第二特徵。第一特徵在第二特徵「之下」、「下方」和「下面」可以是第一特徵在第二特徵正下方或斜下方，或僅僅表示第一特徵水平高度小於第二特徵。
[0051]在本說明書的描述中，參考術語「一個實施例」、「一些實施例」、「示例」、「具體示例」、或「一些示例」等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特徵、結構、材料或者特點包含於本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術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，描述的具體特徵、結構、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合。此外，本領域的技術人員可以將本說明書中描述的不同實施例或示例進行結合和組合。
[0052]儘管上面已經示出和描述了本發明的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本發明的限制，本領域的普通技術人員在本發明的範圍內可以對上述實施例進行變化、修改、替換和變型。
【權利要求】
1.一種微納材料力學性能檢測結構，其特徵在於，包括:後屈曲式微力檢測結構和電熱式屈曲預加載結構，所述後屈曲式微力檢測結構與所述電熱式屈曲預加載結構相連，其中， 所述電熱式屈曲預加載結構被構造為通電流後能夠發熱變形以實施預加載； 所述後屈曲式微力檢測結構被構造為當所述電熱式屈曲預加載結構未實施預加載時，所述後屈曲式微力檢測結構處於自然的無加載狀態，當電熱式屈曲預加載結構實施預加載時，所述後屈曲式微力檢測結構被軸向壓縮，處於預加載屈曲平衡狀態，然後所述後屈曲式微力檢測結構受到試件的軸向微力作用，所述預加載屈曲平衡狀態發生改變，使所述後屈曲式微力檢測結構發生放大的橫向結構變化，從而實現微力檢測。
2.根據權利要求1所述的微納材料力學性能檢測結構，其特徵在於，所述後屈曲式微力檢測結構為平面型軸對稱結構，具體包括: 懸浮的微力檢測中心杆與微力感測塊，所述微力檢測中心杆位於對稱軸線上，所述微力檢測中心杆的一端與試件相連，另一端與所述微力感測塊的中點相連，微力檢測中心杆與所述微力感測塊呈T型連接； 懸浮的第一柔性壓杆、第二柔性壓杆、第三柔性壓杆和第四柔性壓杆，所述第一柔性壓杆、第二柔性壓杆、第三柔性壓杆和第四柔性壓杆的材料相同、長度相等、均與所述對稱軸平行，所述第一柔性壓杆、第二柔性壓杆關於所述對稱軸對稱，所述第三柔性壓杆、第四柔性壓杆關於所述對稱軸對稱，其中，所述第一柔性壓杆的一端和所述第二柔性壓杆的一端與所述微力感測塊的一側相連，所述第三柔性壓杆的一端和所述第四柔性壓杆的一端與所述微力感測塊的另一側相連，所述第一柔性壓杆的另一端與第一固定塊相連以固定，所述第二柔性壓杆的另一端與第二固定塊相連以固定； 懸浮的可動預加載橫梁，所述可動預加載橫梁的一側與所述第三柔性壓杆的另一端和所述第四柔性壓杆的`另一端相連，所述可動預加載橫梁的另一側與所述電熱式屈曲預加載結構相連。
3.根據權利要求1和2所述的微納材料力學性能檢測結構，其特徵在於，所述第一柔性壓杆、第二柔性壓杆、第三柔性壓杆和第四柔性壓杆的長寬比大於100。
4.根據權利要求1-3任一項所述的微納材料力學性能檢測結構，其特徵在於，所述第一柔性壓杆、第二柔性壓杆、第三柔性壓杆和第四柔性壓杆被構造成在受到壓力時朝著兩側方向凸出變形。
5.根據權利要求1-4任一項所述的微納材料力學性能檢測結構，其特徵在於，所述電熱式屈曲預加載結構中包括與所述後屈曲式微力檢測結構相連的懸浮電熱結構，所述懸浮電熱結構因通電流產生焦耳熱而發生形變，推動所述可動預加載橫梁，所述第一柔性壓杆、第二柔性壓杆、第三柔性壓杆和第四柔性壓杆受軸向力作用被軸向壓縮，處於屈曲狀態。
6.根據權利要求1-5任一項所述的微納材料力學性能檢測結構，其特徵在於，所述電熱式屈曲預加載結構為平面型軸對稱結構，具體包括: 第一懸浮電熱結構和第二懸浮電熱結構，所述第一懸浮電熱結構和第二懸浮電熱結構材料相同、長度相等，二者關於所述對稱軸對稱且呈夾角，其中，所述第一懸浮熱電結構的一端和所述第二懸浮熱電結構的一端共同地與所述後屈曲式微力檢測結構相連，所述第一懸浮熱電結構的另一端與第三固定塊相連以固定，所述第二懸浮熱電結構的另一端與第四固定塊相連以固定。`
【文檔編號】G01L5/00GK103728074SQ201310718674
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年12月24日 優先權日:2013年12月9日
【發明者】方華軍, 許軍, 葉璇, 王敬, 李喜德, 梁仁榮 申請人:清華大學