静电预加载的微纳材料力学性能检测结构的制作方法
【专利摘要】本发明提出一种静电预加载的微纳材料力学性能检测结构，包括后屈曲式微力检测结构和静电式屈曲预加载结构,其中，静电式屈曲预加载结构在加载电压后能够利用静电作用力引发内部构件变形以实施预加载，当电热式屈曲预加载结构未实施预加载时，后屈曲式微力检测结构处于自然的无加载状态，当静电式屈曲预加载结构实施预加载时，后屈曲式微力检测结构被轴向压缩，处于预加载屈曲平衡状态，然后后屈曲式微力检测结构受到试件的轴向微力作用，预加载屈曲平衡状态发生改变，使后屈曲式微力检测结构发生放大的横向结构变化，从而实现微力检测。本发明具有尺寸小、稳定可靠，可重复使用，容易制造，对轴向微力敏感，力分辨率高，横向变形可控制等优点。
【专利说明】静电预加载的微纳材料力学性能检测结构
【技术领域】
[0001]本发明涉及微纳材料力学测试【技术领域】，具体涉及一种静电预加载的微纳材料力学性能检测结构。
【背景技术】
[0002]随着微纳米技术的快速发展，微尺度材料和结构在各个领域得到了广泛的应用，如材料科学、微电子、生物、医学以及微机电系统等等。而当材料的尺寸减小到微纳米尺度时，由于一些物理化学效应，导致结构发生一些变化，使得它的材料特性与宏观尺度的截然不同，那么对这些微纳米尺度的材料和结构的力学性能研究就变得十分重要。
[0003]研究微纳材料力学性能时，被测量的微力达到微牛乃至皮牛量级，且微力测量需要有非常高的灵敏度。传统的加载块和测力块已经无法适用，所以研究适用于微纳米尺度实验研究的设备成为必要。
[0004]由胡克定律F=k*x可知，为达到高分辨率的力，就要降低弹簧常数k，或者增加位移分辨率。例如，对于现有商业AFM探针显微镜，已有埃量级的位移分辨率，弹簧常数已经达到0.1?0.ΟΙΝ/m，而对这些传统的悬臂式传感器来说，提高力分辨率是非常困难的，因为进一步减小弹簧常数会受到内部的热燥以及结构不稳定等因素影响；而位移分辨率几乎已经不能再提高。况且这种悬臂式探针传感器灵敏方向是垂直于悬臂梁的，和极坐标式的微纳米操纵仪配合使用，在小变形的情况下可以近似为直线加载，但当位移较大的时候，显然是沿弧线加载的。而配合直角坐标式的微纳米加载平台，需要轴向敏感的微力检测结构。
[0005]由材料力学知道，对于细长杆受轴向压力作用，当轴向压力值超过临界载荷的时候，会发生突然的横向失稳，之后，轴向力增加微小值时，沿杆轴向有很小的位移，而沿杆的横向会发生很大的变形，能比轴向的高两个数量级，从而可以利用横向的大变形放大轴向的微小变形。而注意到压杆横向变形的方向是与压杆上缺陷和压杆形状有关，所以，可采用初始利用矩形截面杆并在杆中间部位预制缺陷的方法，使得结构能沿所希望的方向屈曲。
[0006]已公开的文献提出的屈曲式微力检测结构，需在传感器制作完成后，通过驱动压电陶瓷施加预屈曲力，使细长压杆发生屈曲,推动中间刚性连接块体,从而对试件进行拉伸，再在此基础上进行微力测量。这样的屈曲加载装置，操作困难、难度较大、重复性差、成本高，不利于后屈曲微力检测传感结构的使用。
【发明内容】
[0007]本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
[0008]为此，本发明的目的在于提出一种适用于微纳材料力学性能检测的静电预加载的微纳材料力学性能检测结构。
[0009]为了实现上述目的，根据本发明实施例的静电预加载的微纳材料力学性能检测结构，可以包括:后屈曲式微力检测结构和静电式屈曲预加载结构，所述后屈曲式微力检测结构与所述静电式屈曲预加载结构相连，其中，所述静电式屈曲预加载结构被构造为加载电压后能够利用静电作用力引发内部构件变形以实施预加载；所述后屈曲式微力检测结构被构造为当所述静电式屈曲预加载结构未实施预加载时，所述后屈曲式微力检测结构处于自然的无加载状态，当静电式屈曲预加载结构实施预加载时，所述后屈曲式微力检测结构被轴向压缩，处于预加载屈曲平衡状态，然后所述后屈曲式微力检测结构受到试件的轴向微力作用，所述预加载屈曲平衡状态发生改变，使所述后屈曲式微力检测结构发生放大的横向结构变化，从而实现微力检测。
[0010]根据本发明实施例的静电预加载的微纳材料力学性能检测结构，整体结构尺寸小、结构稳定、可靠性高，可重复使用，制造比较容易；对轴向微力非常敏感，力分辨率超高，横向变形可控制；有预加载功能，能够通过控制电压使检测结构进入测量所需的后屈曲状态，非常适用于微纳材料力学性能检测。
[0011]另外，根据本发明实施例的静电预加载的微纳材料力学性能检测结构还可以具有如下附加技术特征:
[0012]在本发明的一个实施例中，所述后屈曲式微力检测结构为平面型轴对称结构，具体包括:悬浮的微力检测中心杆与微力感测块，所述微力检测中心杆位于对称轴线上，所述微力检测中心杆的一端与试件相连，另一端与所述微力感测块的中点相连，微力检测中心杆与所述微力感测块呈T型连接；悬浮的第一柔性压杆、第二柔性压杆、第三柔性压杆和第四柔性压杆，所述第一柔性压杆、第二柔性压杆、第三柔性压杆和第四柔性压杆的材料相同、长度相等、均与所述对称轴平行，所述第一柔性压杆、第二柔性压杆关于所述对称轴对称，所述第三柔性压杆、第四柔性压杆关于所述对称轴对称，其中，所述第一柔性压杆的一端和所述第二柔性压杆的一端与所述微力感测块的一侧相连，所述第三柔性压杆的一端和所述第四柔性压杆的一端与所述微力感测块的另一侧相连，所述第一柔性压杆的另一端与第一固定块相连以固定，所述第二柔性压杆的另一端与第二固定块相连以固定；悬浮的可动预加载横梁，所述可动预加载横梁的一侧与所述第三柔性压杆的另一端和所述第四柔性压杆的另一端相连，所述可动预加载横梁的另一侧与所述静电式屈曲预加载结构相连。
[0013]在本发明的一个实施例中，所述第一柔性压杆、第二柔性压杆、第三柔性压杆和第四柔性压杆的长宽比大于100。
[0014]在本发明的一个实施例中，所述第一柔性压杆、第二柔性压杆、第三柔性压杆和第四柔性压杆在受到压力时朝着两侧方向凸出变形。
[0015]在本发明的一个实施例中，所述电热式屈曲预加载结构中包括与所述后屈曲式微力检测结构相连的悬浮的静电结构，所述悬浮的静电结构因加电压产生静电相互作用力而发生形变，推动所述可动预加载横梁，所述第一柔性压杆、第二柔性压杆、第三柔性压杆和第四柔性压杆受轴向力作用被轴向压缩，处于屈曲状态。
[0016]在本发明的一个实施例中，所述静电式屈曲预加载结构为平面型轴对称结构，具体包括:弹性的、悬浮的第一驱动杆和第二驱动杆，所述第一驱动杆的一端与第二驱动杆的一端共同地连接到所述后屈曲式微力检测结构上，所述第一驱动杆和第二驱动杆材料相同、长度相等，二者关于所述对称轴对称且不共线；悬浮的第一电极板和第二电极板，其中，所述第一驱动杆的另一端与所述第一电极板的中点相连，所述第二驱动杆的另一端与所述第二电极板的中点相连，所述第一电极板的一端经过第一弹性回复杆连接至第三固定块以固定，所述第一电极板的另一端经过第二弹性回复杆连接至第四固定块以固定，所述第二电极板的一端经过第三弹性回复杆连接至第五固定块以固定，所述第二电极板的另一端经过第四弹性回复杆连接至第六固定块以固定；固定的第七固定块和第八固定块，所述第七固定块、所述第八固定块用于与所述第一电极板之间产生静电相互作用力；固定的第九固定块和第十固定块，所述第九固定块、所述第十固定块用于与所述第二电极板之间产生静电相互作用力。
[0017]本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中:
[0019]图1是本发明一个实施例的静电预加载的微纳材料力学性能检测结构中后屈曲式微力检测结构的示意图；
[0020]图2是本发明一个实施例的静电预加载的微纳材料力学性能检测结构中静电式屈曲预加载结构的示意图；
[0021]图3A和图3B分别是根据本发明一个实施例的静电预加载的微纳材料力学性能检测结构未预加载时的立体示意图和俯视图；
[0022]图4A和图4B分别是根据本发明一个实施例的静电预加载的微纳材料力学性能检测结构未预加载时的立体示意图和俯视图；
[0023]图5是根据本发明一个实施例的静电预加载的微纳材料力学性能检测结构完成预加载时的俯视图；
[0024]图6是根据本发明一个实施例的静电预加载的微纳材料力学性能检测结构测试轴向压力作用时的俯视图；
[0025]图7是根据本发明一个实施例的静电预加载的微纳材料力学性能检测结构测试轴向拉力作用时的俯视图。
【具体实施方式】
[0026]下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0027]本发明提出一种静电预加载的微纳材料力学性能检测结构，包括后屈曲式微力检测结构I和静电式屈曲预加载结构2。后屈曲式微力检测结构I与静电式屈曲预加载结构2相连。其中，静电式屈曲预加载结构2被构造为加载电压后能够利用静电作用力引发内部构件变形以实施预加载。后屈曲式微力检测结构I被构造为:当静电式屈曲预加载结构2未实施预加载时，后屈曲式微力检测结构I处于自然的无加载状态。当静电式屈曲预加载结构2实施预加载时，后屈曲式微力检测结构I被轴向压缩，处于预加载屈曲平衡状态。然后该后屈曲式微力检测结构I受到试件的轴向微力作用，预加载屈曲平衡状态发生改变，使后屈曲式微力检测结构I发生放大的横向结构变化，从而实现微力检测。
[0028]根据本发明实施例的静电预加载的微纳材料力学性能检测结构，整体结构尺寸小、结构稳定、可靠性高，可重复使用，制造比较容易；对轴向微力非常敏感，力分辨率超高，横向变形可控制；有预加载功能，能够通过控制电压使检测结构进入测量所需的后屈曲状态，非常适用于微纳材料力学性能检测。
[0029]在本发明的一个实施例中，后屈曲式微力检测结构I为平面型轴对称结构，如图1所示，具体包括:微力检测中心杆101、微力感测块102、第一柔性压杆103、第二柔性压杆104、第三柔性压杆105、第四柔性压杆106、第一固定块107、第二固定块108和可动预加载横梁109。第一固定块107和第二固定块108固定在测试平台的基座上，在预加载前、后和测试时间位置均不变。其余构件均处于悬浮状态，其形状或位置可能因外力作用而变化。
[0030]微力检测中心杆101位于对称轴线上。微力检测中心杆101的一端与试件相连，另一端与微力感测块102的中点相连。微力检测中心杆101与微力感测块102呈T型连接。
[0031]第一柔性压杆103、第二柔性压杆104、第三柔性压杆105和第四柔性压杆106的材料相同、长度相等、均与对称轴平行。其中，第一柔性压杆103和第二柔性压杆104关于对称轴对称，第三柔性压杆105和第四柔性压杆106关于对称轴对称。第一柔性压杆103的一端和第二柔性压杆104的一端与微力感测块102的一侧(例如图1所示的左侧)相连。第三柔性压杆105的一端和第四柔性压杆106的一端与微力感测块102的另一侧(例如图1所示的右侧)相连。第一柔性压杆103的另一端与第一固定块107相连以固定。第二柔性压杆104的另一端与第二固定块108相连以固定。第一柔性压杆103、第二柔性压杆104、第三柔性压杆105和第四柔性压杆106形状细长，优选它们的长宽比大于100，这时该静电预加载的微纳材料力学性能检测结构的轴线微力敏感，横向变形较大，测试的灵敏度和精度较高。此外，第一柔性压杆103、第二柔性压杆104、第三柔性压杆105和第四柔性压杆106可以通过预制缺陷或者通过其他工艺，以使第一柔性压杆103、第二柔性压杆104、第三柔性压杆105和第四柔性压杆106被构造成在受到压力(预加载时受到的屈曲压力、以及测试时受到的屈曲压力)时朝着两侧凸出变形，这时横向变形可控制。
[0032]可动预加载横梁109的一侧(例如图1所示的左侧)与第三柔性压杆105的另一端和第四柔性压杆106的另一端相连，可动预加载横梁109的另一侧(例如图1所示的右侧)与电热式屈曲预加载结构2相连。
[0033]在本发明的一个实施例中，电热式屈曲预加载结构2中包括与所述后屈曲式微力检测结构I相连的悬浮的静电结构，该悬浮的静电结构因加电压产生静电相互作用力而发生形变，推动可动预加载横梁109，使得第一柔性压杆103、第二柔性压杆104、第三柔性压杆105和第四柔性压杆106受轴向力作用被轴向压缩，处于屈曲状态。
[0034]在本发明的一个实施例中，静电式屈曲预加载结构2为平面型轴对称结构，如图2所示，具体可以包括:第一驱动杆201、第二驱动杆202、第一电极板203、第二电极板204、第一弹性回复杆205、第一固定块206、第二弹性回复杆207、第二固定块208、第三弹性回复杆209、第三固定块210、第四弹性回复杆211、第四固定块212、第七固定块213、第八固定块214、第九固定块215和第十固定块216。其中各个固定块固定在测试平台的基座上，在预加载前、后和测试时间位置均不变。其余构件均处于悬浮状态，其形状或位置可能因外力作用而变化。
[0035]第一驱动杆201和第二驱动杆202采用相同的弹性材料制成。第一驱动杆201的一端(如图2所示的左端)与第二驱动杆202的一端(如图2所示的左端)共同地连接到后屈曲式微力检测结构I上，例如，连接到可动预加载横梁109上，以便于传导变形。第一驱动杆201和第二驱动杆202长度相等，二者关于对称轴对称且不共线地设置。
[0036]第一电极板203和第二电极板204在预加载状态时被加载电压信号。其中，第一驱动杆201的另一端(如图2所示的右端)与第一电极板203的中点相连，第一驱动杆201与第一电极板203呈T型连接。第二驱动杆202的另一端(如图2所示的右端)与第二电极板204的中点相连，第二驱动杆202与第二电极板204呈T型连接。第一电极板203的一端(如图2所示的左端)经过第一弹性回复杆205连接至第三固定块206以固定。第一电极板203的另一端(如图2所示的右端)经过第二弹性回复杆207连接至第四固定块208以固定。第二电极板204的一端(如图2所示的左端)经过第三弹性回复杆209连接至第五固定块210以固定。第二电极板204的另一端(如图2所示的右端)经过第四弹性回复杆211连接至第六固定块212以固定。
[0037]第七固定块213和第八固定块214用于与第一电极板203之间产生静电相互作用力。需要说明的是，第七固定块213和第八固定块214的位置可以灵活设置。当第七固定块213和第八固定块214设在第一电极板203的靠近静电预加载的微纳材料力学性能检测结构的对称轴的一侧时，可以通过使第七固定块213和第八固定块214共同带第一类型电荷、并且使第一电极板203带第二类型电荷，以使第七固定块213和第八固定块214与第一电极板203产生静电吸引力，然后第一电极板203沿着002方向运动。当第七固定块213和第八固定块214设在第一电极板203的远离静电预加载的微纳材料力学性能检测结构的对称轴的一侧时，可以通过使第七固定块213、第八固定块214和第一电极板203共同带有某种电荷，以使第七固定块213和第八固定块214与第一电极板203产生静电排斥力,然后第一电极板203沿着002方向运动。
[0038]第九固定块215和第十固定块216用于与第二电极板204之间产生静电相互作用力。需要说明的是，与第七固定块213和第八固定块214类似，第九固定块215和第十固定块216的位置可以灵活设置。
[0039]需要说明的是，静电式屈曲预加载结构2还可以为其他的形式，例如两个驱动杆可以与对称轴平行而非图2所示的夹钝角，又例如与电极板进行静电力作用的固定块可以为其他数目而非图2所示的4个。这些均属于本发明实施例的可选的变形，并不改变发明的实质。
[0040]下面结合图3A至图7详细描述本发明一个实施例的静电预加载的微纳材料力学性能检测结构的其他细节特征以及工作过程。
[0041]图3A和图3B分别是根据本发明一个实施例的静电预加载的微纳材料力学性能检测结构未预加载时的立体示意图和俯视图。如图3A和图3B所示，此时静电预加载的微纳材料力学性能检测结构未通电，也就是说未实施预加载，处于自然的无加载状态。其中:整个微力检测结构设置在某个平面上，多个固定块固定在平面上，固定块的厚度略大于其他构件的厚度(如图3B所示)，这样可以使得其他构件悬空。四个柔性压杆103、104、105和106对称设置，具有非常高的长宽比(例如长3mm，宽2 y m，厚12 y m)，这样的形貌使得柔性压杆极易发生平面内横向失稳，朝着001方向或002方向屈曲。为了使得柔性压杆沿着所希望的某一个方向发生屈曲，可以使得每根柔性压杆自身不对称。在该实施例中，对于柔性压杆103和105沿001方向有初始微弯曲，对于柔性压杆104和106沿002方向有初始微弯曲。[0042]图4A和图4B分别是根据本发明一个实施例的静电预加载的微纳材料力学性能检测结构处于预加载时的立体示意图和俯视图。如图4A和图4B所示，通过在电极板203和一对固定块213和214之间施加电压，同时在电极板204和一对固定块215和216之间施加相等电压，产生静电吸引力。此时电极板203和204之间的距离缩短，压缩和弯曲驱动杆201和202，从而推动可动预加载横梁109移动。因此会直接在柔性压杆105和106的端部施加轴线压力P,根据力的传导特性,也会间接在柔性压杆103和104的端部施加轴线压力P。轴向压力P作用在细长的柔性压杆上，当P < Pcr=4 2EI/L2时，柔性压杆保持笔直状态不变。其中P是作用在柔性压杆上的轴向力，Pra是杆屈曲的临界载荷，E是材料的弹性模量，I是最小的杆横截面对中性轴的惯性矩。当P > Pra时，各个柔性压杆沿着自身初始缺陷方向发生横向屈曲，最大位移在各个柔性压杆的中间位置，对于柔性压杆103和105沿001方向屈曲，对于柔性压杆104和106沿002方向屈曲。屈曲后的柔性压杆的横向变形与轴向变形之间有一定的关系，实际上横向变形能比轴向位移高出两个数量级，也就是起到了有效放大的作用。实际使用制造完备的静电预加载的微纳材料力学性能检测结构时，通过测量横向变形的大小输出微力检测中性杆上所受到的力。需要说明的是，当除去施加的电压时，电极板203和204会分别在弹性回复杆205、207、209和211的作用下复位，载荷P释放，柔性压杆103、104、105和106逐渐恢复直线状态，整个静电预加载的微纳材料力学性能检测结构恢复到初始状态。也就是说，对于该静电预加载的微纳材料力学性能检测结构，通过控制驱动电压大小可以连续地控制悬浮热电结构的伸长量，从而逐渐施加端部载荷P，使得柔性压杆进入屈曲，也就是实现预加载。同时可以看出，该静电预加载的微纳材料力学性能检测结构可控性比较高，重复性也很高。需要注意的是，在柔性压杆受到临界载荷Pra的时候，柔性压杆内最大应力还远小于临界断裂应力，所以柔性压杆始终不会断裂。
[0043]在控制静电式屈曲预加载结构2上电压大小使得后屈曲微力检测结构I进入预加载状态后，即如图5所示之后，保持所施加的电压值不变，即保持柔性压杆的横向变形最大值D值不变。通过粘接或电子束焊接等方式将试件的一端固定在微力检测中心杆101的左端部，从而实现对被检测试件的拉伸或者压缩。
[0044]当压缩连接在微力检测中心杆101上的试件时，微力检测中心杆101也受到轴向压力作用，轴向压力传递到微力感测块102上。位于微力感测块102右侧的柔性压杆105和106上所受轴向压力增大，所以横向最大变形D2增大。而位于微力感测块102左侧的柔性压杆103和104上所受轴向压力减小，所以横向最大变形Dl减小。此时后屈曲微力检测结构形貌如图6所示。通过实验技术检测得到Dl和D2大小后，查阅之前标定得到的微力和横向变形差值的对应关系，就可以得到微力检测中心杆受到的载荷大小，即试件所受轴向微力大小。
[0045]需要说明的是，对静电预加载的微纳材料力学性能检测结构进行标定的过程是指，通过实验测得到一系列的微力检测中心杆上受到的微力大小与柔性压杆的横向变形差之间的 对应关系。在实际使用的时候，通过在光学显微镜、扫描电子显微镜下直接观测柔性压杆横向变形的差值，或者采用一些间接观测的方法得到柔性压杆横向变形差。例如:
(I)利用电容的方法:在柔性压杆的横向变形最大处喷涂金粉，与周围封装容器或其他设备形成电容器，通过对电容改变的测量得到横向变形信息。(2)利用电阻的方法:在柔性压杆中间位置的侧边沉积电阻，通过压杆的变形导致应变，引起半导体电阻的变化，由电阻的变化得到横向变形信息。(3)利用光杠杆的方法:将激光束打到杆的侧边，通过激光的光斑位置的变化得到杆变形角度的信息，进一步得到横向变形信息。再由测得的横向变形差，查询之前标定得到的微力和横向变形差值的对应关系，就可以得到微力检测中心杆受到的载荷大小。
[0046]同理，当拉伸连接在微力检测中心杆101上的试件时，同时微力检测中心杆101也受到轴向拉力作用，轴向拉力传递到微力感测块302上。位于微力感测块102右侧的柔性压杆105和106上所受轴向压力减小，所以横向最大变形D2减小。而位于微力感测块102左侧的柔性压杆103和104上所受轴向压力增大，所以横向最大变形Dl增大。此时后屈曲微力检测结构形貌如图7所示。通过实验技术检测得到Dl和D2大小后，查阅之前标定得到的微力和横向变形差值的对应关系，就可以得到微力检测中心杆受到的载荷大小，即试件所受轴向微力大小。
[0047]综上所述，通过检测横向最大变形的大小，得到了微力大小的输出。
[0048]由于该静电预加载的微纳材料力学性能检测结构的静电式屈曲预加载结构有预加载功能，具体通过固定块对悬浮的静电结构施加电压，悬浮的静电结构在电流作用下产生焦耳热，发生热膨胀形变，从而压缩后屈曲式微力检测结构。对于预加载结构，当电压值超过某一临界值，对应作用在长压杆上的力超过临界载荷时，长压杆会屈曲产生横向失稳，此后，轴向力增加微小数值时，横向变形增加很多，借此放大微小的轴向变形。那么当微力检测中心杆上受到微牛乃至皮牛量级的力时，处于失稳状态的长压杆也会在横向发生很大的变形，便于测量。也就是说该传感器对应的弹簧常数很小，显著提高了力分辨率。另外，由于该结构是对称的，有效保证了使用过程中的稳定性。总之，这种静电预加载的微纳材料力学性能检测结构整体结构尺寸小，同时结构稳定、可靠性高且可重复使用，制造比较容易；对轴向微力非常敏感，力分辨率超高，横向变形可控制；有预加载功能，能够通过控制电压使得初始状态时压杆处于后屈曲状态，也就是工作状态。
[0049]需要说明的是，本发明的静电预加载的微纳材料力学性能检测结构的具体实现方法有多种。其中一种实现方法是，先通过机械加工的方法制造出每一个小部件，然后选择一个合适的衬底，将各个结构部件按照设计的连接方式粘接起来或者依靠其他方式组装。另一种实现方法是，利用微电子加工工艺在硅片上通过沉积薄膜和选择性刻蚀和腐蚀的方法加工实现，例如选择使用硅氧化物绝缘体(SOI)晶片，以硅为衬底层材料，二氧化硅作为牺牲层材料，二氧化硅层上再覆盖一层硅。首先在最上面的硅层上涂光刻胶，曝光(利用辐照的方法，如光学、X-射线、电子束或离子束)，将掩膜板上的图形转移到光刻胶上，然后用光刻胶作为掩膜层通过刻蚀工艺，如深层反应离子刻蚀法(DRIE)刻蚀硅层，将光刻胶上的图形转换到硅层。再通过使用氢氟酸(HF)刻蚀二氧化硅层。合适地控制氢氟酸的刻蚀时间，使得二氧化硅被溶解，最后使用丙酮溶液去除光刻胶得到所需要的硅MEMS器件，注意此时该静电预加载的微纳材料力学性能检测结构的四个固定块直接形成于硅片衬底表面。
[0050]本发明公开的静电预加载的微纳材料力学性能检测结构非常适应于微纳材料力学性能检测领域，它可根据设计尺度的调整而广泛应用于毫牛、纳牛至皮牛跨尺度的微力的测量。该传感设备可以用于真空、空气、液体、电磁场等环境中。由于结构尺寸非常小，可在探针和电子显微镜中做一些实时在线的微纳米尺度的力学实验，如碳纳米管的拉伸与压缩、弯曲等等。[0051]在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底” “内”、“外”、“顺时
针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0052]此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0053]在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0054]在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0055]在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行结合和组合。
[0056]尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
【权利要求】
1.一种静电预加载的微纳材料力学性能检测结构，其特征在于，包括:后屈曲式微力检测结构和静电式屈曲预加载结构，所述后屈曲式微力检测结构与所述静电式屈曲预加载结构相连，其中， 所述静电式屈曲预加载结构被构造为加载电压后能够利用静电作用力引发内部构件变形以实施预加载； 所述后屈曲式微力检测结构被构造为当所述静电式屈曲预加载结构未实施预加载时，所述后屈曲式微力检测结构处于自然的无加载状态，当静电式屈曲预加载结构实施预加载时，所述后屈曲式微力检测结构被轴向压缩，处于预加载屈曲平衡状态，然后所述后屈曲式微力检测结构受到试件的轴向微力作用，所述预加载屈曲平衡状态发生改变，使所述后屈曲式微力检测结构发生放大的横向结构变化，从而实现微力检测。
2.根据权利要求1所述的静电预加载的微纳材料力学性能检测结构，其特征在于，所述后屈曲式微力检测结构为平面型轴对称结构，具体包括: 悬浮的微力检测中心杆与微力感测块，所述微力检测中心杆位于对称轴线上，所述微力检测中心杆的一端与试件相连，另一端与所述微力感测块的中点相连，微力检测中心杆与所述微力感测块呈T型连接； 悬浮的第一柔性压杆、第二柔性压杆、第三柔性压杆和第四柔性压杆，所述第一柔性压杆、第二柔性压杆、第三柔性压杆和第四柔性压杆的材料相同、长度相等、均与所述对称轴平行，所述第一柔性压杆、第二柔性压杆关于所述对称轴对称，所述第三柔性压杆、第四柔性压杆关于所述对称轴对称，其中，所述第一柔性压杆的一端和所述第二柔性压杆的一端与所述微力感测块的一侧相连，所述第三柔性压杆的一端和所述第四柔性压杆的一端与所述微力感测块的另一侧相连，所述第一柔性压杆的另一端与第一固定块相连以固定，所述第二柔性压杆的另一端与第二固定块相连以固定； 悬浮的可动预加载横梁，所述可动预加载横梁的一侧与所述第三柔性压杆的另一端和所述第四柔性压杆的另一端相连，`所述可动预加载横梁的另一侧与所述静电式屈曲预加载结构相连。
3.根据权利要求1或2所述的静电预加载的微纳材料力学性能检测结构，其特征在于，所述第一柔性压杆、第二柔性压杆、第三柔性压杆和第四柔性压杆的长宽比大于100。
4.根据权利要求1-3任一项所述的静电预加载的微纳材料力学性能检测结构，其特征在于，所述第一柔性压杆、第二柔性压杆、第三柔性压杆和第四柔性压杆被构造成在受到压力时朝着两侧方向凸出变形。
5.根据权利要求1-4任一项所述的静电预加载的微纳材料力学性能检测结构，其特征在于，所述电热式屈曲预加载结构中包括与所述后屈曲式微力检测结构相连的悬浮的静电结构，所述悬浮的静电结构因加电压产生静电相互作用力而发生形变，推动所述可动预加载横梁，所述第一柔性压杆、第二柔性压杆、第三柔性压杆和第四柔性压杆受轴向力作用被轴向压缩，处于屈曲状态。
6.根据权利要求1-5任一项所述的静电预加载的微纳材料力学性能检测结构，其特征在于，所述静电式屈曲预加载结构为平面型轴对称结构，具体包括: 弹性的、悬浮的第一驱动杆和第二驱动杆，所述第一驱动杆的一端与第二驱动杆的一端共同地连接到所述后屈曲式微力检测结构上，所述第一驱动杆和第二驱动杆材料相同、长度相等，二者关于所述对称轴对称且不共线； 悬浮的第一电极板和第二电极板，其中，所述第一驱动杆的另一端与所述第一电极板的中点相连，所述第二驱动杆的另一端与所述第二电极板的中点相连，所述第一电极板的一端经过第一弹性回复杆连接至第三固定块以固定，所述第一电极板的另一端经过第二弹性回复杆连接至第四固定块以固定，所述第二电极板的一端经过第三弹性回复杆连接至第五固定块以固定，所述第二电极板的另一端经过第四弹性回复杆连接至第六固定块以固定; 固定的第七固定块和第八固定块，所述第七固定块、所述第八固定块用于与所述第一电极板之间产生静电相互作用力； 固定的第九固定块和第十固定块，所述第九固定块、所述第十固定块用于与所述第二电极板之间产生静电相互作用力。`
【文档编号】G01L5/00GK103698211SQ201310718936
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年12月24日 优先权日:2013年12月9日
【发明者】方华军, 王敬, 许军, 叶璇, 李喜德, 梁仁荣 申请人:清华大学