专利名称：一种用于测试微电子机械系统材料力学性能的测控系统的制作方法
技术领域：
一种用于测试MEMS(微电子机械系统)材料力学性能的测控系统属于MEMS(微电子机械系统)材料力学性能测试的领域。主要应用于对构成MEMS(微电子机械系统)的基本构件(如微悬臂梁、微桥、微轴承等)的材料力学性能进行测试的领域。
背景技术：
微电子机械系统(MEMS)是集传感、信息处理和执行于一体的集成微系统。近年来，已经成为重要的高新技术领域和研究工作的热点。MEMS器件的特征尺寸范围为几微米到几毫米。构成其机械结构的基本构件主要包括微悬臂梁、微桥、薄膜和微轴承等。当这些构件的尺寸细微到微米/纳米尺度后，其材料本身的力学、物理性质会出现强烈的尺寸效应。常规条件下的材料力学性能参数已不能满足MEMS系统结构设计的要求。所以对MEMS基本构件力学性能的测试显得尤为重要。在MEMS材料力学性能的测试方法中，弯曲法是一种常用的较成熟的测试方法。这种方法的原理如图1所示(以微悬臂梁为例)；通过精确测量作用在微构件上的载荷和微构件在载荷作用下的弯曲位移或离面变形，并建立适当的理论模型和使用有限元进行模拟，从而获得微构件的力学性能参数，主要有弯曲模量、屈服强度、断裂强度和残余应力等。其中，对加载在微构件上的载荷和微构件在载荷作用下的变形的精确测量成为关键。目前，常采用商用的仪器(如纳米硬度计，原子力显微镜等)直接将压针作用在试样上，从而得到测量的结果。虽然这种方法的测量精度高，但其价格昂贵，体积庞大，携带不方便，不能满足一般实验条件下的测量要求。
发明内容
本实用新型的目的在于克服以上测试设备的缺点，通过合理的机械结构设计，再配以相应的硬件和软件，采用弯曲法对加载在微构件上的载荷和微构件在载荷作用下的变形进行精确测量。整套测控系统设计主要包括测试机的机械结构设计、数据采集及电机控制卡的硬件设计和数据采集及电机控制软件的设计。
本实用新型所要解决的技术问题a、由于微构件(如微悬臂梁、微桥、微轴承等)的尺寸范围在几微米到几毫米的范围内，所以当压针对试样加载时，必须使压针尖精确定位在微构件上。
b、由于微构件(如微悬臂梁、微桥、微轴承等)在压针压力的作用下变形非常的小，一般在几十到几百个微米，为了保证加载力的连续性，所以当压针对微构件进行加载时，其移动分辨率要求在亚微米级。
c、由于微构件的尺寸及其变形都非常的小，直接对微构件的变形进行测量不易实现，所以不但要求对变形的测量分辨率要能够达到微米级，还要采用合适的测量方法对微构件的变形进行测量。
d、由于加载力非常的小，一般在几十到几百毫牛。所以不但要求加载力的测量分辨率达到毫牛量级，而且需要合理设计加载台的机械结构以消除在加载的过程中产生的摩擦力。
e、由于在加载的过程中，不但要对加载在微构件上的载荷力和微构件在载荷作用下的变形进行测量，还要实时控制步进电机的运行以实现对微构件的连续加载。另外还需要将测量的数据实时的传送到计算机中，并对数据进行处理、显示。所以必须设计数据采集及电机控制卡的硬件和数据采集及电机控制软件。
本实用新型的系统结构原理图如图2所示；一种用于测试微电子机械系统材料力学性能的测控系统，其特征在于，包括测试机、数据采集及电机控制卡和计算机三大部分；其中测试机测试机的整体俯视图如图3所示，其构造为步进电机移动台9和手动升降台4固定在同一水平面上；设定同一水平面相互垂直方向为X方向和Y方向；手动平移台3固定在步进电机移动台9上，试样加载台10固定在手动平移台3上；手动平移台3通过手动调节可带动试样加载台10在X方向移动，步进电机移动台9通过步进电机的转动带动手动平移台3和试样加载台10在Y方向移动；试样固定台5固定在手动升降台4上，试样2固定在试样固定台5上；手动升降台4通过手动调节可带动试样固定台5在竖直方向移动；两个支架8分别固定在手动升降台4的X方向两侧；PSD传感器7即位置传感器和激光源6分别固定在两个支架8上，并通过调节支架8实现角度和高度的调节；激光源6发出的激光入射在固定在压针1上的反射片11，反射后进入PSD传感器7；基座13固定在手动平移台3上，触力传感器15固定在基座13上；对试样2进行加载时，压针1通过传力杆14将压力加在触力传感器15的压头上；在测量时，激光源6发出激光束打在固定在压针1上的反射片11上，再反射至PSD传感器7上。在压针1压在试样2上后，随着加载力的增加，试样2将产生变形，其变形的大小将直接反映在反射片11的位移上，而反射片11位移的大小将通过一定的换算关系反映在激光光斑在PSD传感器7上的位移，这样通过测量PSD传感器7电压信号的变化即可测出试样2变形的大小。通过合理调节激光束的入射角度和PSD传感器7的接收角度，可使入射在PSD传感器7上的光斑的位移大于对应的试样变形的大小。
试样加载台10的剖面图如图4所示；触力传感器15通过传感器压盖12固定在基座13上；对试样2进行加载时，压针1通过传力杆14将压力加在触力传感器15的压头上；通过测量触力传感器15的电压信号的变化量即可得到加载在试样2上的压力的大小。
为了减小压针1和传力杆14与内孔壁的摩擦力，在基座13上的压针通过部分开槽，这样不但能够减小压针1和基座13的接触面积，从而减小摩擦力，而且有利于在加工的过程中保证压针孔的直线度。
数据采集及电机控制卡包括数据采集模块、电机控制模块和USB接口模块。数据采集及电机控制卡的硬件逻辑关系图如图5所示；数据采集及电机控制卡的硬件包括模拟通道选通模块、信号处理放大模块、A/D转换模块、USB接口模块、电机控制保护模块、供电电源模块六大模块电路；
根据计算机中数据采集及电机控制的要求，计算机通过和USB接口模块通信向其它模块电路发送控制信号并获取上述PSD传感器(7)和触力传感器(15)的电压信号；模拟通道选通模块根据USB接口模块发送的控制信号将选通其中一路传感器的信号，并将此信号传给信号处理放大模块电路；经过放大处理后的模拟信号传给A/D转换模块电路进行A/D转换，并在USB接口模块发送请求信号后将转换完成后的数字信号传送给USB接口模块电路，最后传送给计算机；在这个过程中，USB接口模块电路根据计算机发送的命令向电机控制保护模块电路发送步进脉冲信号、移动方向信号来控制步进电机移动台的运行速度、距离和方向。供电电源模块电路负责将电源电压转换为传感器、通道选通模块、信号处理放大模块和电机控制保护模块需要的电压，并为其供电。
计算机主要包括笔记本电脑和装在电脑上的数据采集及电机控制软件。数据采集及电机控制软件的设计采用Visual C++6.0编制。通过对电机运行的参数(包括方向、移动距离、细分参数)和数据采样的参数(包括采样通道、输入电压范围、信号放大倍数、采样间隔时间)进行设置后，即可以单独控制电机的运行或单独进行数据采样，还可以使电机的运行和数据采样同步进行。运行结束后，对采集到的数据进行处理，可以显示为文本格式或图形格式，并对数据或图形进行保存或打印。
图1弯曲法测量的原理图1是压针、2是试样；图2本实用新型的系统结构原理图图3本实用新型的测试机的整体俯视图3是手动平移台、4是手动升降台、5是试样固定台、6是激光源、7是PSD传感器(位置传感器)、8是支架、9是步进电机移动台、10是试样加载台、11是反射片；图4本实用新型的试样加载台的剖面图12是传感器压盖、13是基座、14是传力杆、15是触力传感器。
图5本实用新型的数据采集及电机控制卡的硬件逻辑关系图具体实施方式
采用如图3所示结构的实用新型选用的手动平移台、手动升降台和步进电机移动台分别选用北京集科仪器有限公司的02TMl 22精密平移台、02TV011精密升降台和01TS002电机移动台，其移动分辨率分别为1微米、1微米和0.625微米；PSD传感器和激光源分别选用浙江大学富通仪器有限公司的一维PSD传感器和激光二极管激光源，其测量分辨率为1微米；触力传感器选用霍尼韦尔公司的FS触力传感器，其测量分辨率为3毫牛。数据采集模块电路采用通用的电路；USB接口模块电路选用CYPRESS公司的CY7C63743微控制器芯片，利用汇编语言编写微控制器芯片内部微处理器的固件程序；电机控制模块电路采用三极管开关电路；供电电源模块电路采用通用的DC-DC(直流-直流)电压转换电路；数据采集及电机控制软件采用Visual C++编制，基于Windows操作系统。
采用以上配置的实用新型根据被测量对象的空间位置调节固定在步进电机移动台上的手动平移台3和手动升降台4，使压针1的针尖对准被测量试样2；根据反射片11的位置，调节激光源6和PSD传感器7的角度和位置，使激光束经过反射片11反射后照射在PSD传感器7上。打开数据采集及电机控制软件对数据采集及电机控制卡进行初始化，初始化成功后设置电机的运行参数(包括方向、移动距离、细分参数)和数据采样的参数(包括采样通道、输入电压范围、信号放大倍数、采样间隔时间)，设置完参数后开始运行至结束。最后对采集的数据进行处理并显示为文本数据或图形，得出测量结果。本实用新型体积小，成本低，采用USB接口，使用及携带都比较方便，克服了以往测试设备庞大，价格昂贵，无法便携等缺点，具有较好的市场应用前景。
权利要求1.一种用于测试微电子机械系统材料力学性能的测控系统，其特征在于，包括测试机、数据采集及电机控制卡和计算机三大部分；其中测试机的构造为步进电机移动台(9)和手动升降台(4)固定在同一水平面上；设定同一水平面相互垂直方向为X方向和Y方向；手动平移台(3)固定在步进电机移动台(9)上，试样加载台(10)固定在手动平移台(3)上；手动平移台(3)通过手动调节可带动试样加载台(10)在X方向移动，步进电机移动台(9)通过步进电机的转动带动手动平移台(3)和试样加载台(10)在Y方向移动；试样固定台(5)固定在手动升降台(4)上，试样(2)固定在试样固定台(5)上；手动升降台(4)通过手动调节可带动试样固定台(5)在竖直方向移动；两个支架(8)分别固定在手动升降台(4)的X方向两侧；PSD传感器(7)即位置传感器和激光源(6)分别固定在两个支架(8)上，并通过调节支架(8)实现角度和高度的调节；激光源(6)发出的激光入射在固定在压针(1)上的反射片(11)，反射后进入PSD传感器(7)；基座(13)固定在手动平移台(3)上，触力传感器(15)固定在基座(13)上；对试样(2)进行加载时，压针(1)通过传力杆(14)将压力加在触力传感器(15)的压头上；数据采集及电机控制卡的硬件包括模拟通道选通模块、信号处理放大模块、A/D转换模块、USB接口模块、电机控制保护模块、供电电源模块六大模块电路；根据计算机中数据采集及电机控制的要求，计算机通过和USB接口模块通信向其它模块电路发送控制信号并获取上述PSD传感器(7)和触力传感器(15)的电压信号；模拟通道选通模块根据USB接口模块发送的控制信号将选通其中一路传感器的信号，并将此信号传给信号处理放大模块电路；经过放大处理后的模拟信号传给A/D转换模块电路进行A/D转换，并在USB接口模块发送请求信号后将转换完成后的数字信号传送给USB接口模块电路，最后传送给计算机；在这个过程中，USB接口模块电路根据计算机发送的命令向电机控制保护模块电路发送步进脉冲信号、移动方向信号来控制步进电机移动台的运行速度、距离和方向。
2.根据权利要求1所述的一种用于测试微电子机械系统材料力学性能的测控系统，其特征在于，在基座(13)上的压针(1)通过部分开槽，以减小压针(1)和基座(13)的接触面积。
专利摘要本实用新型属于MEMS构件材料力学性能测试领域。特征在于，包括测试机、数据采集及电机控制卡和计算机；测试机构造为步进电机移动台和手动升降台固定在同一水平面上；设该水平面相互垂直方向为X和Y方向；手动平移台带动试样加载台在X方向移动，步进电机移动台带动手动平移台和试样加载台在Y方向移动；手动升降台带动试样固定台在竖直方向移动；激光入射在固定在压针上的反射片，反射后进入PSD传感器；对试样进行加载时，压针通过传力杆将压力加在触力传感器；数据采集及电机控制卡包括模拟通道选通模块、信号处理放大模块、A/D转换模块、USB接口模块、电机控制保护模块、供电电源模块。本方案克服了以往测试设备庞大，价格昂贵，无法便携缺点。
文档编号G01M99/00GK2762105SQ20052011408
公开日2006年3月1日 申请日期2005年7月22日 优先权日2005年3月25日
发明者左铁钏, 张麟, 陈涛, 刘世炳, 吴坚 申请人:北京工业大学