基于视觉引导散斑干涉微构件机械力学性能测量方法研究

By the rapid development of micro-nano technology, The influence of the basic data of micro-nano mechanics characteristics to MEMS structure design becomes more and more important. In the measurement of microstructure mechanics characteristics, it is necessary to clamp and load to microstructure, and to accurately acquire the corresponding relationship of stress-strain. The project will research the measurement method of microstructure mechanics characteristics based on visual navigation and speckle interferometry, which includes the speckle measurement method of micro-nano mechanic deformation and micro-nano driving and positioning, clamping and loading mechanics with the ability of measuring micro-force and micro-displacement. It can measure some microstructure mechanics characteristics, such as displacement, deformation, Elastic modulus, Poisson's ratio. The research of the project mainly focus on: 1) the quickly guide on the visualization method to micro-nano structure central clamping, it can realize the structure central clamping according to the measurement requirement; 2) the research of integrated method of high precision displacement and force sensing unit to clamping-driving unit;3)mechanics property evaluation methods for 3D deformation measurement based on optical speckle interferometry; 4)mechanics characteristics measuring system includes bending deformation method of microscale cantilever and draw-twisting loading method. Through the studies in the project, a basic micro-nano mechanics characteristics measurement method are realized, which can be used as the research basis and technical support for designing microstructure mechanics characteristics measurement with high precision.

随着微纳技术的迅速发展，微构件机械力学特性基础数据对MEMS 结构设计发展的影响越来越重。在构件力学特性测试中，需要对微纳结构进行加载夹持，并准确获知其应力应变对应关系。本项目将研究基于视觉引导散斑干涉微结构机械力学性能测量方法，包含微结构力学形变位移散斑测量方法和具有微力和微位移测量的微驱动定位、装夹及加载机构，能够测量微纳结构力学性能指标包括变形与应变、弹性模量、泊松比等参数。重点研究：1) 快速微构件夹持对中可视化引导方法，实现微纳结构按照测量关系夹持对中；2) 高精度位移及力传感单元与夹持驱动单元集成方法研究；3) 适用于光学显微散斑三维变形的力学性能评价方法；4) 集微梁弯曲法、拉伸加载法于一体的力学特性测量系统。通过本项目研究，建立适用于微纳机构力学特性测量方法雏形，为今后微纳力学特性的高准确度测量研究与开发提供研究基础。

相对于大尺寸材料的测量方法，微构件材料机械特性的测量存在装夹困难、测量精度高、夹持对中困难等问题。本项目研究可以实现微构件夹持与装夹辅助引导于一体的微构件材料机械性能测试方法。主要研究内容为:研制了适用于不同微拉伸试件的拉伸测试机构，该机构由三级对称式微位移放大的拉伸加载机构、两个二级对称式微位移放大的试件夹持机构组成，加持机构具有保持被拉伸试件中心和拉伸机构中心在同一中心的功能；研制了可以适用于不同微悬臂梁试件的悬臂加载机构，该机构由宏微两级驱动构成，直线电机结合平行片簧机构提供宏观位置调整控制，二级对称式柔性铰链机构提供微观位置加载控制；研制了微构件视觉辅助引导测量系统，该引导对中测量系统能够识别被测试件两侧夹持头的二维位移与二维角度偏移,并根据该测量信息调整拉伸夹持头的夹持方位以确保拉伸测量结果准确，从而实现辅助测量引导对中；研制了一种程控可调的高精度多功能的压电陶瓷驱动电源，采用直流放大控制方式驱动压电陶瓷微位移器输出多种类型的电压，同时能够采集反馈驱动电源输出的实际电压；研究了柔性铰链多级放大结构优化设计，针对拉伸和微悬臂梁所需的柔性铰链放大机构中所需的二级和三级放大机构利用Ansys workbench进行仿真分析，得到各级不同放大比设置情况下的理论仿真对比，得出了最优设置关系，为设计多级柔性铰链提供参考；微驱动压电陶瓷迟滞预测补偿方法，提出了一种基于数学拟合的预测压电陶瓷的电压-位移曲线的方法实验证明在开环系统中使用该算法可以有效地预测压电陶瓷的实际位移并较好地补偿了其迟滞，能够有效的减少迟滞对压电陶瓷微驱动的影响。通过本项目研究，建立可以应用于微构件拉伸和微悬臂梁的拉伸测试机构和微梁弯曲测试机构，可以初步获取相应的力学相关参数，为今后微构件力学特性的高准确度测量研究与开发提供研究基础。