纳米压入法测量中初始接触点判断问题研究

对于纳米压入法 ,在加载过程中 ,压头尖与试样表面的初始接触点必须判断准确 ,初始接触点判断的精度将对测量结果产生很大的影响。本文利用西安交通大学精密工程研究所研制的微力微位移测试仪 ,对初始接触点判断的相关问题进行了深入研究。在压头尖与试样表面接触前 ,由电容测微仪测得的位移值是加载装置空载下的输出值 ;而当压头尖与试样表面接触后 ,压头与试样之间将产生作用力 ,使电容测微仪的测量值偏离加载装置空载下的输出曲线趋势。分别用一直线和一多项式曲线对压头无载荷和有载荷作用时测得的电压位移曲线进行拟合 ,拟合直线和曲线的交点即可作为初始接触点。大量的实验表明 ,运用上述方法可使初始接触点的判断精度在± 10nm。     

压电作动器在微力微位移装置中的应用

在微力微位移装置中采用闭环控制压电作动器实现微位移进给和微力加载，设计了加载机构，建立加载机构的压电作动器输入电压、加载装置输位移和输出力之间的关系。通过电容测位移仪检测输出位移，实验得到加载系统刚度，根据压电作动器输入电压、加载装置刚度，计算出加载力大小。该方法为微机械力学性能测试仪打下了基础。     

测量多层膜结构中薄膜厚度的一种新方法

提出一种基于平行板电容测微原理进行多层膜材料的测厚方法。该方法用有效电极直径西3mm电容传感头,通过变化空气隙△h进行多次测量,对输出电压V值进行线性拟合,得到空气隙与测量电压的关系,计算出被测厚度,测量精度达0．01μm。若采用有效电极直径西1mm传感头,测量精度可达0．001μm。通过理论分析和实验证实,该方法不需对被测材料提前标定相对介电常数,不需特殊制备样件,是非接触测量,测量方法简单、成本低。因此适用于各种薄膜、特别是多层结构膜的无损膜厚测量及平面度测量。     

基于MAX038的简易小电容测试仪设计

设计了一种基于MAX038函数信号发生器的小电容测试仪,其原理是将函数发生器的外接电容看作被测电容而产生相应的频率信号输出,选用TM4C123GH6PM微控制器实现等精度测量频率值,然后计算出被测电容值。为了提高准确度,采用最小二乘法分段拟合曲线,同时与准确度较高的LCR表进行分段比对测试,实现自动修正并显示测量结果。该测试仪测量范围为10 p F~1μF的小电容。测试结果表明,该测试仪具有运行稳定,测量快速的特点,准确度可达1级。     

材料微观力学性能测试加载装置研究

材料微观力学性能测试以纳米压痕和划痕最具代表性,通过连续记录载荷-深度关系曲线,进而分析获取被测材料的硬度、弹性模量及粘附性等参数。该文提出一种压头固定,试件运动的纳米压痕加载装置,以压电叠堆驱动、柔性铰链传动,实现压入与压出过程。首先讨论了两种用于纳米压痕/划痕的直角式柔性铰链方案,进行了静力和模态分析;其次对精密加载单元进行具体结构设计和有限元分析;最后试制了加载装置样机并进行压痕实验。研究结果表明,该装置可较准确测取材料硬度,且具有较好的稳定性。     

单晶SiC微纳米压痕的力学行为及仿真分析

为了研究单晶SiC的微观力学性能和加工方式,开展了单晶6H SiC（0001）的微纳米压痕试验,并采用ABAQUS软件对纳米压痕过程进行了数值仿真及完成了试验验证。结果表明,单晶SiC在加载阶段的变形机理与压入载荷无关;硬度和弹性模量表现出了明显的尺寸效应;球形压头作用下的应力值最小,玻氏压头和维氏压头作用下的应力值相同,大于圆锥压头的应力值;压痕裂纹类型有主裂纹、侧向裂纹、主次型裂纹、平直型裂纹、间断型裂纹,裂纹的平均长度随着加载力的增加而逐渐增加。     

基于电压积分翻转电容法的微位移测量

微小位移测量在工业控制、机械制造等领域应用广泛。本文提出了一种基于电压积分翻转电容法的微位移测量方法,该方法利用平行板电容器充放电的特性,使输出电压根据电容的不同容值而发生周期性的反转,产生相应频率的输出波形。该系统由位移测量电极板、电压积分翻转电路、低通滤波电路和MCU模块组成。位移测量电极板位移变化时其电容发生相应改变,电压积分翻转电路将电容变化值转化为输出信号的频率变化值。低通滤波电路将输出信号滤波,降低高频噪声的影响。MCU模块计算出频率变化值对应的微小位移变化值。实验结果表明：由线性回归分析,基于电压积分翻转电容法的微位移测量,其线性度误差为2.16%,相对误差为0.06%,与其他基于电容的位移测量方法相比,线性度误差比基于电容式传感器的微位移测量法小0.09%,比ZNXD型电容式传感器位移测量法小0.64%;相对误差比基于电容式传感器的微位移测量法小0.26%,比ZNXD型电容式传感器位移测量法小0.14%,比平板式电容器位移测量法小0.36%。相比之下,本文的具有较好的线性度误差和相对误差。     

MEMS材料力学性能测试方法

随着微机电系统(MEMS)的蓬勃发展,如何准确获得MEMS材料的力学性能参数成为当今研究的热点。由于尺度微小,试样的夹持、载荷的施加和测量、位移的测量等问题十分突出。本文对当今MEMS力学性能研究中一些典型的微测试方法,如纳米压痕法、单轴拉伸法、鼓膜法、微梁弯曲法及衬底曲率法等分别进行了阐述,详细介绍了这些方法的原理、优缺点以及可测得的力学性能参数。     

相位凝固技术中干涉信号调制解调误差分析

为了进一步减小基于相位凝固技术的激光反馈干涉系统测量运动物体微位移时的测量误差,采用MATLAB数值仿真及曲线拟合的方法,对移相间隔和外腔反射面振动幅度引起的系统误差进行了理论分析。在系统实验中依据相位凝固原理对物体运动产生的干涉信号进行采样,获取多组光功率曲线,在光功率曲线上实时判向并标记特征点。根据特征点重构被测物体的微位移曲线,对重构得到的微位移台阶曲线进行多项式拟合以提高测量精度。结果表明,在固定移相间隔为/5、激光器波长为1550nm的情况下,测量分辨率优于/20(77.5nm),实际测量的绝对误差最大值为47.98nm,峰峰值误差平均值小于1nm。相位凝固技术调制解调干涉信号为微位移的方向辨识和高精度测量提供了新的解决方案。     

微电容式传感器信号检测电路的设计

微电容传感器检测电路是微电容传感器中的关键技术,由于微电容传感器的电容变化量很小,电路中的杂散电容对传感器的影响就会非常大,所以微电容测量电路必须具备大动态范围、高测量灵敏度、低噪声、抗杂散性好等性能。因此提出了电桥式交流电容检测电路。首先将转换后的电压信号加载到高频正弦激励信号中,然后通过放大等一系列处理得到输出电压,最后根据待测电容与输出电压的关系得到待测电容的容抗。(１)采用Multisim仿真软件对提出的电桥式交流电容检测电路进行了调试及可行性验证。(２)在设计的基础上对电路进行了实物焊接和调试。(３)利用信号发生器和示波器对一批已调试的微电容进行了实验验证。实验结果表明,提出的电桥式交流电容检测电路测量的输出电压与理想情况下的输出电压基本一致?且该电路能很好地抑制寄生电容的影响,有良好的线性和稳定性。