一种微构件拉伸测试系统及测试结构设计

微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems,MEMS)的力学性能是研究MEMS可靠性的一个重要部分。目前,微结构片外拉伸测试的难点在于如何在实现较高精度的夹持和测试的同时能够较好地控制成本,这是本文着重解决的问题。首先,针对单晶硅各向异性湿法体硅工艺的特点,设计了一种新颖而经济的试样结构,利用力学分析确定其结构尺寸,通过有限元分析验证其合理性;其次,设计了一种简单经济的微结构片外拉伸测试系统;最后,加工出样本并进行准静载拉伸强度测试。结果表明:微梁尺寸增大,拉伸强度降低,同时验证了本装置在微结构拉伸准静载测试中的适用性。     

材料力学性能显微测试系统

介绍了适用于毫、微米量级材料的力学性能测试系统,该系统包括微型加力装置、显微镜及数字图像处理系统。通过计算机控制,加力机构可以对微小试件按力或位移控制方式加载,载荷大小通过传感器直接由计算机数字化。试件的变形测量采用数字图像相关技术,通过序列图像分析方式,获得试件在不同外力作用下对应的变形,从而获得该材料的应力应变关系。在利用显微镜对微细观图像进行放大时,图像的畸变会影响相关计算的精度,本文采用了精度极高的正交栅板,对成像系统进行标定,有效地消除了高放大倍数下的图像畸变。图像相关技术对被测物体的表面处理非常敏感,本文也对这一问题进行了讨论,并给出两个不同的应用实例。第一个为材料性能试验,对厚度为0.1mm的铝材进行单向拉伸,给出了材料的应力应变关系;第二个为稳态裂纹扩展试验,对用人牙制作的紧凑拉伸试件进行测试,获得裂尖后的COD曲线。实验表明,该测试系统在微细观力学实验中具有广阔的应用前景。     

石质构件风化层内力学性能变化规律研究

石质构件风化层内力学参数随深度变化的规律是石质古建筑稳定性、耐久性和保护方案研究中重要的内容。本文针对古建筑石质构件风化层不便取样,风化岩样加工易破坏和室内试验只能得出试件整体的力学参数,不能反映风化层内力学参数由表及里逐渐变化的不足,综合运用现场声波测试和室内试验对义乌宋代古月桥(建于1213年)风化条石的抗压强度、弹性模量与深度的关系进行了研究。研究表明,风化层内岩石弹性模量、抗压强度与未风化区域的比值随深度呈较好的负指数关系。     

微构件自由弯曲回弹的数值模拟

回弹是影响弯曲成形精度的一个重要因素,由于尺度效应的存在,微构件的弯曲回弹问题更复杂.利用动态显式与静态隐式算法相结合的方法数值模拟了C1200黄铜V形微构件的自由弯曲,与其超薄板三点弯曲的实验结果吻合度很好,验证了该方法模拟微构件弯曲回弹的可行性.分析了板厚t、晶粒大小d、t/d(板厚与晶粒大小比值)和残余应力对回弹的影响,结果显示t/d可以作为表征回弹的重要参数,回弹量随着t/d减小而增大;随着t和d的增大,工件的残余应力也增大,会影响工件的质量.可以采用适当热处理工艺增大材料的晶粒尺寸来减少回弹,当然也要兼顾残余应力对工件质量的影响.     

原位微拉曼测试技术在碳纳米管纤维和薄膜材料力学性能研究中的应用

利用宏观应力联合原位微拉曼测试技术对双壁碳纳米管(Carbon Nanotube,CNT)纤维和薄膜材料的力学性能进行了实验分析,探讨了拉伸加载期间纤维和薄膜内CNT的载荷响应及其与宏观力学性能的关联,揭示了两种材料力学性能差异性的微观机理。实验分析表明,CNT纤维和薄膜的拉伸变形呈现弹性、强化和损伤断裂三个阶段,但其内的CNT只发生弹性变形,没有塑性形变,且没有明显的损伤或键的断裂,纤维和薄膜呈现阶段性拉伸变形的原因可归结为滑移。纤维的弹性模量显著高于薄膜,是薄膜的4.7倍,原因是弹性阶段纤维中CNT的轴向伸长对宏观应变的贡献较大。纤维和薄膜的拉伸强度相差较小,原因是强化阶段薄膜内不断有大量CNT进入承载队伍,这也使得薄膜具有比纤维更高的韧性。     

微电子机械系统中构件的基本力学量检测

本文就近几年在ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）基本力学量测量技术的最新发展及其特点、意义、进行了较全面的综述。内容包括：ＭＥＭＳ所用材料的基本力学参数测量（如Ｅ、Ｇ、μ），材料的摩擦与摩损的测量，ＭＥＭＳ结构内应力、应变的测量，结构的动态参数和机构运动速度的测量等，为ＭＥＭＳ的研究提供有益的参考。     

超高速微转子系统磨损特性的研究

针对高速旋转微电机中典型的转子轴衬摩擦磨损问题,以半球形轴衬为研究对象,提出了1种描述其磨损过程的线性滑动磨损模型,建立了半球形轴衬-极板接触有限元模型,分析微转子轴衬的磨损特性和轴衬-极板接触副的接触动力学特性,研究接触副几何结构参数和操作参数对微转子系统磨损特性的影响.结果表明:在MEMS微转子系统中,微转子轴衬偏心距离和转子轴衬半径影响线磨损率,以两者减至最小为较理想,但须注意设计中轴承半径的限制,并使轴衬偏心距离大于轴承内半径;在转子加工制造许可的范围内,可以通过调整转子轴衬的半径和偏心距离来减少摩擦磨损对微电机的影响,随着转子所承受载荷和转子旋转速度的增加,其磨损严重;接触区的应力分布不同于经典Hertz解,这是由于应力集中出现在不连续的曲率线上,且接触区的接触压力呈现轴对称抛物线状分布.该模型可用于预测微转子轴衬的磨损与接触状况,分析微转子系统的磨损特性.     

热障涂层力学性能的实验测试方法研究进展

涂层-基体体系作为高温热障防护结构被广泛应用于航空、航天、核反应堆等涡轮发动机叶片上, 主要作用是抵抗高温燃气, 保护基体材料. 在服役过程中, 涂层过早出现开裂、脱粘等失效行为直接影响发动机的安全性和可靠性. 长期以来, 热障涂层力学性能的实验测试方法是国内外研究者关注的重点. 首先分析了导致热障涂层失效的失配应力的来源, 重点介绍了热障涂层力学性能研究的实验测试方法、仪器和针对界面脱粘检测的红外热像技术, 接着概述了热障涂层寿命预测方法, 最后分析当前研究中存在的问题, 并对未来的发展的一些方向和有待于进一步研究的问题作了总结.     

一种硅微型加速度计的制备与测试方法研究

本文介绍了硅微型扭摆式静电力平衡加速度计的工作原理、结构设计、制备技术及测试方法，这对于研制硅微型加速度计具有一定的参考价值。     

微机电系统磨损特性研究进展

对微机电系统,尤其是微旋转机械的磨损研究现状进行评述,介绍MEMS及微旋转机械中的各种磨损问题,分析材料和不同工况(表面粗糙度、环境以及载荷)等条件对MEMS及微旋转机械磨损性能的影响,介绍不同形式的磨损模型、分析方法与检测仪器,并对相关领域的研究进展进行展望.     

微纳米结构壁面对流场及动压润滑的影响研究

固体边界具有的微纳米结构将影响流体在近壁面处的流动行为,进而由于尺度效应改变流体在整个微间隙的流动或润滑规律.将壁面可渗透微纳米结构等效为多孔介质薄膜,采用Brinkman方程来描述流体在近壁面边界渗透层内的流动,并将其与自由流动区域的不可压缩流体Navier-Stokes控制方程耦合,在界面处的连续边界条件下求解和分析了速度分布规律和压力变化规律.针对恒定法向承载力的油膜润滑条件,进一步讨论了静止表面或运动表面的微纳米结构对近壁面流动行为的影响;并揭示了考虑壁面微纳米结构的流体动压润滑的油膜厚度和摩擦系数的变化规律.论文结果为具有可渗透微结构表面的微间隙流动与润滑提供了理论参考.     

码头动力特性现场测试方法研究

码头的动力特性的变化直接影响到码头的安全运行。实测码头的动力特性具有重要意义。通过四种不同的现场检测方法的研究和分析，确定了不同方法的使用范围。说明现场检测的方法可以有效地确定码头的动力特性。     

Micro Fork Hinge for MEMS Devices

0Introduction Hingesareafundamentalelementforbuildingmechanicaldevices,appearingwheneverarotation aroundapointisneeded.Differentkindsofhingescanworkwellformillionsofcyclesinthemacro world.Howeverinthemicro world,smallsizedrealhingesorbearingsdonotlastlong…     

微柔顺装置及其力学分析

根据微装配及柔性铰链的特点，提出了微柔顺装置(MRCC，Micro Remote Center Compliance)并对其进行了力学分析。由平衡方程和几何相容条件推导出了三个重要的设计参数——位移刚度Kx、角位移刚度KФ和中心距L的表达式。讨论并示例了柔性铰链的刚度系数、结构参数、位置参数对Kx、KФ和L的影响，分析结果表明，位置参数中的转角θ对Kx、KФ和L影响最大，而且要同时获得Kx、KФ和L的最佳值是不可能的，只能在设计微RCC时综合考虑，选择合适的θ值。     

材料力学性能检测虚拟实验的设计和开发

针对传统材料实验教学的种种弊端,将虚拟现实技术运用到材料实验教学当中,使教学过程具有交互性好,实验沉浸感强的特点。介绍了基于VRML的材料力学性能检测虚拟实验的设计思想和设计原理,对关键技术进行了阐述和分析。采用Pro/E、3DS MAX建立拉伸机、冲击机,疲劳试验机、压缩机、带表卡尺等实验仪器、工具的三维模型,并将其转换成VRML格式。然后通过VRML的事件路由机制实现了材料力学性能检测实验的全过程,如拉伸实验中,包括试样的测量、加载,拉伸过程的实现和曲线实时生成。作为材料实验教学的辅助工具,使学习过程形象化,充分发挥学生主观能动性,培养创新意识和解决工程问题能力。     

微梁与基底间的毛细粘附作用

在表面微型机械结构的制造过程中,强的毛细相互作用常常使得组成这些结构的微桥、微梁与基底粘附而导致失效。而在微尺度实验中,微桥与微梁又是微尺度材料常数和性能检测的常用的试件样式,如果实验中加载端与被检测的微尺度试件发生毛细粘附,将直接影响检测数据的准确性。本文应用微悬臂梁试件,讨论微梁与基底间的毛细粘附作用,并通过能量原理计算其粘附力的大小和试件几何尺寸、粘附面距离、粘附液体特性之间的关系。最后应用微散斑干涉,检测粘附平衡态时微桥和微梁的粘附力以及由毛细粘附所导致的弯曲变形,并与理论计算结果进行比较。     

新型断路器操作机构的力学测试

为了实现一种结构简单、成本低廉、耗能较低的高压断路器的操作机构,在分析典型永磁电动操作机构的基础上,提出了一种采用永磁驱动的新型操作机构。利用MTS809材料试验系统测得断路器真空室的触头反力,使用Maxwell软件对断路器操作机构的磁力进行仿真与优化。在此基础上,确定操作机构的整体结构并做出10kV真空断路器原理样机。再利用MTS809系统对原理样机的驱动力进行测试验证。驱动力测试结果表明,新型永磁驱动操作机构原理可行,10kV真空断路器原理样机达到预期的设计目标。     

On-Chip Electrostatically Actuated Bending Tests for the Mechanical Characterization of Polysilicon at the Micro Scale

The issue of mechanical characterization of polysilicon used in micro electro mechanical systems (MEMS) is discussed in this paper. An innovative approach based on a fully on-chip testing procedure is described; two ad hoc designed electrostatically actuated microsystems are here used in order to determine experimentally the Young’s modulus and the rupture strength of polysilicon. The first device is based on a rotational test structure actuated by a system of comb-finger capacitors which load up to rupture a couple of tapered beams under bending in the plane parallel to the substrate. The second microsystem is based on a large plate with holes. It constitutes with the substrate a parallel plate capacitor moving in the direction orthogonal to the substrate itself. A couple of tapered beams placed at the centre of the plate is loaded up to rupture in bending in the plane orthogonal to the substrate. By means of the two devices, experimental data are obtained: they allow for a careful determination of Young’s modulus and rupture strength. The rupture values are interpreted by means of the Weibull approach; statistical size effects and stress gradient effect are taken into account thus allowing for a direct comparison between the data obtained from the two test structures.     

Mechanical measurements of adhesion in microcantilevers: Transitions in geometry and cyclic energy changes

Adhesion between initially separated components is a critical issue in microelectromechanical systems (MEMS), as it plays an important role in determining device reliability and the forces (and energy) required for successful operation. In this paper we outline a new approach for characterizing adhesion using microfabricated MEMS cantilevers, wherein transitions between adhered geometries and the corresponding energy changes are quantified using an instrumented nanoindenter. The use of an instrumented mechanical probe offers an important advantage over other techniques, in that the measured load-displacement response can be used to directly quantify energy changes during changes in adhered geometry and cyclic loading. In addition, the adhered portion of the system can be determined from the mechanical response of the beam, without having to view the system optically as required via interferometric techniques. Experimental results are presented which detail the transitions from free-standing cantilevers to arc-shaped and to s-shaped configurations. Measurements of the energy changes that occur under cyclic loading are also presented. The experiments reveal interesting adhesion behaviors suggested by vastly different experiments reported elsewhere, namely unstable transitions from one adhered geometry to another. The results are interpreted in the contexts of beam theory and fracture mechanics models, which can be used to infer interfacial adhesion energy.     

基于自相关特性的经验模态分解微机械陀螺去噪方法

陀螺的噪声是影响组合导航系统精度的重要因素之一。以农机多传感器组合导航系统为研究背景,在分析经验模态分解去噪和小波去噪的基础上,提出了一种基于自相关特性的经验模态分解去噪方法。该方法根据本证模态函数分量的自相关函数特性,提出了一种含噪本证模态函数筛选策略。该方法能够自适应地确定主要含噪的本证模态函数分量,避免了需要人为确定的不足;同时,结合改进小波阈值去噪的优势,避免了将混叠在噪声中的有效信号完全消除,使其具有一定的自适应性。为了验证方法的有效性,利用农机组合导航系统中微机械陀螺的实际输出数据,分别采用改进阈值小波去噪方法、经验模态分解去噪和改进的经验模态分解去噪方法进行了对比试验。结果表明,改进经验模态分解去噪方法的效果要优于前者,在一定程度上能够改善农机多传感器组合导航系统的定位精度。