專利名稱：用于檢測(cè)納米材料拉伸和壓縮力學(xué)性能的微機(jī)械結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及微機(jī)械技術(shù)和納米材料科學(xué)領(lǐng)域，具體說來(lái)是一種微機(jī)械結(jié)構(gòu)，用于檢測(cè)一維納米材料拉伸和壓縮力學(xué)性能的微機(jī)械結(jié)構(gòu)，適合用來(lái)檢測(cè)一維納米材料楊氏模量、拉伸強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度等。
背景技術(shù)：
一維納米材料，如納米管、納米線和納米帶等，是具有優(yōu)異物性的低維納米結(jié)構(gòu)材料，預(yù)計(jì)在未來(lái)的納機(jī)電系統(tǒng)、氣體傳感器、納電子和光電子器件領(lǐng)域中將具有廣泛的應(yīng)用前景。但隨著材料尺寸的減小，當(dāng)減小到納米時(shí)，尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和量子效應(yīng)等相關(guān)效應(yīng)的凸顯，使得納米材料的一些物理性質(zhì)與常規(guī)體材料有很大的不同，出現(xiàn)許多新奇的特征。納米材料的力學(xué)特征和行為將直接影響到它的應(yīng)用，以及由它構(gòu)成的納米器件和納機(jī)電系統(tǒng)的功能，因此，對(duì)納米材料力學(xué)特征和行為的研究十分重要。目前，受限于現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件和測(cè)量技術(shù)，對(duì)納米材料進(jìn)行直接力學(xué)實(shí)驗(yàn)和測(cè)量還相當(dāng)困難，大多數(shù)測(cè)量手段基于電子/機(jī)械或熱/機(jī)械的復(fù)合系統(tǒng)。對(duì)在承受載荷情況下的納米材料的原位檢測(cè)手段，包括利用靜電驅(qū)動(dòng)或熱驅(qū)動(dòng)的微機(jī)電系統(tǒng)的拉力測(cè)量，原子力顯微鏡輔助的彎曲、壓縮和拉伸測(cè)量等，這些測(cè)量方法要么測(cè)量不直接，要么僅能夠定性地測(cè)量。大多數(shù)定性、直接地測(cè)量方法對(duì)于作用于樣品的載荷和樣品變形不能同時(shí)單獨(dú)地測(cè)量。利用靜電驅(qū)動(dòng)或熱驅(qū)動(dòng)的測(cè)量方法中雖然可以克服上述問題，但具有實(shí)施成本高、計(jì)算誤差大等缺點(diǎn)，并且易對(duì)樣品本身產(chǎn)生影響。綜上所述的研究工作，新型的測(cè)量設(shè)備和測(cè)量方法需能同時(shí)測(cè)量出一維納米材料承受載荷和變形情況，且對(duì)樣品本身無(wú)影響。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型目的在于提供用于檢測(cè)納米材料拉伸和壓縮力學(xué)性能的微機(jī)械結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠同時(shí)得到一維納米材料承受載荷和在載荷作用下的變形情況，并在檢測(cè)過程中對(duì)納米材料本身特性沒有影響。本實(shí)用新型的目的是通過下述技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的。本實(shí)用新型所述的用于檢測(cè)納米材料拉伸和壓縮力學(xué)性能的微機(jī)械結(jié)構(gòu)，包括一個(gè)框形支架，其中所述框形支架上通過至少四根對(duì)稱的上豎直梁連接兩個(gè)相互對(duì)稱設(shè)置的上層平臺(tái)；兩個(gè)上層平臺(tái)的兩端分別通過下支撐梁支撐于框形支架的支座上；所述兩個(gè)上層平臺(tái)的下方通過至少四根對(duì)稱的斜梁連接一個(gè)下層平臺(tái)。上述的上層平臺(tái)為兩個(gè)端部呈針尖狀、且針尖端相對(duì)設(shè)置用于固定一維納米材料的水平平臺(tái)。上述的在上層平臺(tái)與下層平臺(tái)之間設(shè)置有兩組數(shù)量相等并且相對(duì)于微結(jié)構(gòu)垂直中心線對(duì)稱的斜梁。所述斜梁沿上層平臺(tái)的兩端向微結(jié)構(gòu)垂直中心線方向?qū)ΨQ傾斜設(shè)置，或沿上層平臺(tái)垂直中心線方向至下層平臺(tái)上臺(tái)面兩端對(duì)稱傾斜設(shè)置。上述的上豎直梁和斜梁分為左右兩組，每組至少采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(tái)及下層平臺(tái)相連。上述的下層平臺(tái)的中部表面開有用于對(duì)微機(jī)械結(jié)構(gòu)施加載荷的定位孔。上述的下支撐梁為豎直梁或?qū)ΨQ傾斜梁。所述微結(jié)構(gòu)采取多晶硅材質(zhì)。本實(shí)用新型和現(xiàn)有的用于檢測(cè)一維納米材料的設(shè)備有如下優(yōu)點(diǎn)I.本實(shí)用新型的制備材料是多晶硅，制備工藝與現(xiàn)有的微機(jī)械加工工藝相兼容，材料成本低，制備方便，可批量制備。 2.本實(shí)用新型在進(jìn)行一維納米材料檢測(cè)時(shí)，可同時(shí)得到施加在納米材料兩端的載荷和位移，使測(cè)量直觀。3.本實(shí)用新型在進(jìn)行一維納米材料檢測(cè)時(shí)，通過納米壓頭施加載荷，檢測(cè)過程中不會(huì)對(duì)納米材料本身的特性造成影響，保證了檢測(cè)的準(zhǔn)確性。4.本實(shí)用新型中上豎直梁和下支撐梁用于支撐兩個(gè)上層平臺(tái)，提高了系統(tǒng)的剛度，可有效防止結(jié)構(gòu)自身重力等因素所導(dǎo)致的兩個(gè)上層平臺(tái)之間距離的變化，這種設(shè)計(jì)可極大的減弱結(jié)構(gòu)重力作用對(duì)納米材料力學(xué)性能的影響，保證檢測(cè)的準(zhǔn)確性。5.本實(shí)用新型中兩個(gè)上層平臺(tái)和下層平臺(tái)之間的斜梁，用于兩個(gè)上層平臺(tái)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)向。通過改變斜梁的傾斜方向，當(dāng)下層平臺(tái)受到納米壓頭作用力向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)上層平臺(tái)間距的增大或減小，從而來(lái)測(cè)量納米材料的拉伸或壓縮的力學(xué)性能。6.本實(shí)用新型中所涵蓋的微結(jié)構(gòu)既可以測(cè)量納米材料的拉伸性能，又有可以測(cè)量納米材料的壓縮性能。

圖I (a)是本實(shí)用新型實(shí)施例I的結(jié)構(gòu)示意圖，用于測(cè)試納米材料的拉伸性能。圖I (b)是本實(shí)用新型實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖，用于測(cè)試納米材料的拉伸性能。圖2(a)是本實(shí)用新型實(shí)施例3的結(jié)構(gòu)示意圖，用于測(cè)試納米材料的壓縮性能。圖2(b)是本實(shí)用新型實(shí)施例4的結(jié)構(gòu)示意圖，用于測(cè)試納米材料的壓縮性能。圖3(a)-圖3(j)是制作本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)過程示意圖。圖4(a)-圖4(c)是本實(shí)用新型實(shí)施例I的力學(xué)性能仿真結(jié)果圖。圖中101、框型支架；102、上豎直梁；103、下支撐梁；104、上層平臺(tái)；105、斜梁；106下層平臺(tái)。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖1-2進(jìn)一步說明本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)。如圖1(a)所示，為本實(shí)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(tái)夾角為26度)的一個(gè)實(shí)施例示意圖，用于測(cè)試納米材料的拉伸性能。該檢測(cè)一維納米材料力學(xué)性能的微結(jié)構(gòu)包括一個(gè)框形支架101，其中設(shè)置有六根豎直梁，包括上部四根上豎直梁102，下部?jī)筛轮瘟?03 (為豎直梁)，用于整個(gè)微機(jī)械結(jié)構(gòu)的支撐定位，一端與框型支架101相連，一端與微機(jī)械結(jié)構(gòu)的上層平臺(tái)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(gè)相互對(duì)稱設(shè)置的上層平臺(tái)104 ;兩個(gè)上層平臺(tái)104的兩端通過下支撐梁103支撐于框型支架101的支座上；兩個(gè)上層平臺(tái)104的下方分別通過四根斜梁105連接一個(gè)下層平臺(tái)106，兩組斜梁105沿上層平臺(tái)104的兩端向微結(jié)構(gòu)垂直中心線方向?qū)ΨQ傾斜設(shè)置，將下層平臺(tái)106的豎直方向的位移和載荷轉(zhuǎn)換成上層平臺(tái)104水平方向的位移和載荷。其中，上層平臺(tái)104分為對(duì)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。位于微機(jī)械結(jié)構(gòu)中部的上層平臺(tái)104水平設(shè)置，其端部被制備成尖狀、且其尖端成對(duì)設(shè)置，用于固定被測(cè)試的納米材料。其中，在上層平臺(tái)104與下層平臺(tái)106之間設(shè)置有與上豎直梁102有相同的數(shù)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(tái)104及下層平臺(tái)106相連。 其中，下層平臺(tái)106的中部表面開有用于對(duì)微機(jī)械結(jié)構(gòu)施加載荷的定位孔，用于對(duì)微機(jī)械結(jié)構(gòu)施加載荷。載荷施加在平臺(tái)底部，可在豎直方向上產(chǎn)生位移。本實(shí)用新型的微結(jié)構(gòu)采取多晶硅材質(zhì)。如圖1(b)所示，為本實(shí)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(tái)夾角為26度)的實(shí)施例2示意圖，用于測(cè)試納米材料的拉伸性能。該結(jié)構(gòu)與實(shí)施例I基本相同，其區(qū)別在于下支撐梁103為對(duì)稱傾斜梁，可以使得微結(jié)構(gòu)在保證“減小重力等因素引起的測(cè)試誤差”的前提下，減小系統(tǒng)剛度，從而提高力的轉(zhuǎn)化系數(shù)。如圖2(a)所示，為本實(shí)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(tái)夾角為26度)的實(shí)施例3示意圖，用于測(cè)試納米材料的壓縮性能。該結(jié)構(gòu)與實(shí)施例I類似，其區(qū)別在于斜梁105的兩組傾斜方向分別與對(duì)應(yīng)的實(shí)施例I中的斜梁的傾斜方向相反。兩組斜梁105沿上層平臺(tái)104垂直中心線方向至下層平臺(tái)106上臺(tái)面兩端對(duì)稱傾斜設(shè)置。根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)，當(dāng)下層平臺(tái)106受到垂直向上的壓力而向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩個(gè)上層平臺(tái)104的間距會(huì)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(shí)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(tái)夾角為26度)的實(shí)施例4示意圖，用于測(cè)試納米材料的壓縮性能。該結(jié)構(gòu)與實(shí)施例2類似，其區(qū)別在于斜梁105的兩組傾斜方向分別與對(duì)應(yīng)的實(shí)施例I中的斜梁的傾斜方向相反。兩組斜梁105沿上層平臺(tái)104垂直中心線方向至下層平臺(tái)106上臺(tái)面兩端對(duì)稱傾斜設(shè)置。
以下結(jié)合附圖3進(jìn)一步說明本實(shí)用新型的制備過程。參照?qǐng)D3(a)，01為設(shè)備層，材料選取多晶硅，厚度約為10 μ m ;02為犧牲層，材料為氧化硅；03為硅基底；04為保護(hù)層；05為一次光刻膠；06為二次光刻膠。參照?qǐng)D3(b),在設(shè)備層表面涂布一層光刻膠05。參照?qǐng)D3(c)，刻蝕光刻膠，形成微機(jī)械結(jié)構(gòu)圖形。參照?qǐng)D3(d)，刻蝕設(shè)備層，形成微機(jī)械結(jié)構(gòu)。參照?qǐng)D3(e)，清除光刻膠。參照?qǐng)D3(f)，在已刻蝕好的設(shè)備層和保護(hù)層表面涂布光刻膠06。參照?qǐng)D3(g)，刻蝕保護(hù)層光刻膠，尺寸為觀察窗口大小。參照?qǐng)D3 (h)，刻蝕保護(hù)層。[0048]參照?qǐng)D3(i)，刻蝕基底，形成觀察窗。參照?qǐng)D3(j)，清除光刻膠及保護(hù)層，與觀察窗口處的犧牲層。
以下結(jié)合附圖4進(jìn)一步說明本實(shí)用新型的效果。在實(shí)施例I中兩個(gè)上層平臺(tái)之間，放置并固定一根納米線，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；并在下層平臺(tái)的幾何中心施加一個(gè)垂直向上的壓力F，基于此來(lái)仿真實(shí)施例I的力學(xué)性能。如圖4(a)-圖4(c)所示，給出了實(shí)施例I的在測(cè)試納米材料力學(xué)性能的仿真圖。圖4(a)為力轉(zhuǎn)換系數(shù)的仿真圖，圖4(b)為位移轉(zhuǎn)化系數(shù)的仿真圖，圖4(c)為系統(tǒng)剛度的仿真圖。此處，定義“力轉(zhuǎn)化系數(shù)”為納米線的軸向受力與F之比；定義“位移轉(zhuǎn)化系數(shù)”為納米線的長(zhǎng)度變化與下層平臺(tái)在F方向上位移的變化之比；定義“系統(tǒng)剛度”為F與下層平臺(tái)在F方向上位移的變化之比?！び蓤D4(a)可以看出，當(dāng)納米線剛度由零逐漸增大到3800N/m時(shí),微結(jié)構(gòu)的力轉(zhuǎn)化系數(shù)逐漸增大，并趨近于100%。由圖4(b)可以看出，當(dāng)納米線剛度逐漸增大時(shí)，微結(jié)構(gòu)的位移轉(zhuǎn)化系數(shù)略有下降，最低約70%。由圖4(c)可以看出，當(dāng)納米線剛度逐漸增大時(shí)，微結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)剛度逐漸增大。從圖中可知，采取本實(shí)用新型的微結(jié)構(gòu)提高了系統(tǒng)的剛度；能同時(shí)測(cè)量出一維納米材料承受載荷和變形情況，且對(duì)樣品本身無(wú)影響。以上所述，僅為本實(shí)用新型較佳的具體實(shí)施方式
，但本實(shí)用新型的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本實(shí)用新型揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.用于檢測(cè)納米材料拉伸和壓縮力學(xué)性能的微機(jī)械結(jié)構(gòu)，包括一個(gè)框形支架(101)，其特征在于所述框形支架(101)上通過至少四根対稱的上豎直梁(102)連接兩個(gè)相互對(duì)稱設(shè)置的上層平臺(tái)(104);兩個(gè)上層平臺(tái)(104)的兩端分別通過下支撐梁(103)支撐于框形支架(101)的支座上；所述兩個(gè)上層平臺(tái)(104)的下方通過至少四根対稱的斜梁(105)連接一個(gè)下層平臺(tái)(106)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于檢測(cè)納米材料拉伸和壓縮力學(xué)性能的微機(jī)械結(jié)構(gòu)，其特征在于所述上層平臺(tái)(104)為兩個(gè)端部呈針尖狀、且針尖端相對(duì)設(shè)置用于固定一維納米材料的水平平臺(tái)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于檢測(cè)納米材料拉伸和壓縮力學(xué)性能的微機(jī)械結(jié)構(gòu)，其特征在于所述在上層平臺(tái)(104)與下層平臺(tái)(106)之間設(shè)置有兩組數(shù)量相等并且相對(duì)于微結(jié)構(gòu)垂直中心線對(duì)稱的斜梁(105)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于檢測(cè)納米材料拉伸和壓縮力學(xué)性能的微機(jī)械結(jié)構(gòu)，其特征在于所述斜梁(105)沿上層平臺(tái)(104)的兩端向微結(jié)構(gòu)垂直中心線方向?qū)ΨQ傾斜設(shè)置，或沿上層平臺(tái)(104)垂直中心線方向至下層平臺(tái)(106)上臺(tái)面兩端對(duì)稱傾斜設(shè)置。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或3所述的用于檢測(cè)納米材料拉伸和壓縮力學(xué)性能的微機(jī)械結(jié)構(gòu)，其特征在于所述上豎直梁(102)和斜梁(105)分為左右兩組，每組至少采用兩根上豎直梁(102)和兩根斜梁(105)分別將框形支架(101)與上層平臺(tái)(104)及下層平臺(tái)(106)相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于檢測(cè)納米材料拉伸和壓縮力學(xué)性能的微機(jī)械結(jié)構(gòu)，其特征在于所述下層平臺(tái)(106)的中部表面開有用于對(duì)微機(jī)械結(jié)構(gòu)施加載荷的定位孔。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于檢測(cè)納米材料拉伸和壓縮力學(xué)性能的微機(jī)械結(jié)構(gòu)，其特征在于所述下支撐梁(103)為豎直梁或?qū)ΨQ傾斜梁。
專利摘要本實(shí)用新型公開了用于檢測(cè)納米材料拉伸和壓縮力學(xué)性能的微機(jī)械結(jié)構(gòu)，包括一個(gè)框形支架，所述框形支架上通過至少四根對(duì)稱的上豎直梁連接兩個(gè)相互對(duì)稱設(shè)置的上層平臺(tái)，被測(cè)納米材料固定于兩個(gè)上層平臺(tái)之間；兩個(gè)上層平臺(tái)的兩端分別通過下支撐梁支撐于框形支架的支座上；所述兩個(gè)上層平臺(tái)的下方通過至少四根對(duì)稱的斜梁連接一個(gè)下層平臺(tái)，下層平臺(tái)用于施加外部載荷。該微結(jié)構(gòu)的制備材料為多晶硅，制備工藝與現(xiàn)有的硅微機(jī)械加工工藝相兼容，可批量制備。能夠同時(shí)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，并在檢測(cè)過程中對(duì)納米材料本身特性沒有影響。
文檔編號(hào)G01N3/02GK202614584SQ20122003284
公開日2012年12月19日 申請(qǐng)日期2012年2月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月2日
發(fā)明者王衛(wèi)東, 易成龍, 郝躍, 牛翔宇, 紀(jì)翔 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)