CN101000295A - 基于afm的纳米机械性能检测装置 - Google Patents
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Abstract
基于AFM的纳米机械性能检测装置，它涉及的是纳米机械性能检测的技术领域。它是为解决现有测量方法存在其检测设备价格昂贵，现有的AFM系统不能够直接提供反映表面机械性能的压痕过程曲线及不能测量按一定速率加载的刻划过程的摩擦力信号的问题。主控计算机(1)通过串行通信电路(2)、第一单片机(4)、光电隔离电流环串行接口通道(8)、第三单片机(11)、三路D/A转换电路(12)及第二单片机(9)、两路A/D转换电路(10)分别连接二维工作台控制器(13)、二维工作台(14)与AFM系统(15)。它还具有制造成本价格便宜，能够直接提供反映表面机械性能的压痕过程曲线及能按一定速率加载的刻划过程的摩擦力信号。点阵压痕的最大范围为100μm×100μm，刻划长度为100nm～100μm。
Description
技术领域
本发明涉及的是纳米机械性能检测的技术领域。
背景技术
目前测量表面纳米级的机械性能主要采用纳米力学检测装置，如瑞士CSMTM纳米硬度测试仪的和美国MTS公司生产的Nano Indenter XP型纳米硬度仪等，这些装置在表面上施加的力通常在毫牛量级。很难满足在数个纳米至数十纳米范围内的纳米机械特性的测量要求，因此为了减小压头施加在表面上的力，实现纳米尺度的机械性能测量，通常人们采取如下两种手段：(1)在AFM上安装上高精度敏感力的测头，如美国Hysitron公司生产的纳米原位测量系统。这套系统需要在AFM上集成额外一套测力装置或者是另外购买一套单独的设备，因此价格比较昂贵。(2)采用AFM本身作为纳米测试的手段来测量纳米级的机械性能。然而当前AFM本身提供的压痕和刻划软件包不能够直接提供反映表面机械性能的压痕过程曲线以及按一定速率加载的刻划过程的摩擦力信号。
发明内容
本发明是为解决现有测量方法存在其检测设备价格昂贵，现有的AFM系统不能够直接提供反映表面机械性能的压痕过程曲线及不能测量按一定速率加载的刻划过程的摩擦力信号的问题，而提供一种基于AFM的纳米机械性能检测装置。
本发明由主控计算机1、串行通信电路2、静态RAM3、第一单片机4、第四单片机5、显示电路6、键盘电路7、光电隔离电流环串行接口通道8、第二单片机9、两路A/D转换电路10、第三单片机11、三路D/A转换电路12、二维工作台控制器13、二维工作台14、AFM系统15组成；
主控计算机1的串口通信端连接串行通信电路2的串口通信端，串行通信电路2的串口通信电平转换接口连接第一单片机4的串行通信端口，第一单片机4的数据地址控制输出输入总线端连接静态RAM3的数据地址控制输出输入总线，第一单片机4的地址数据通信输出输入总线端连接光电隔离电流环串行接口通道8的第一接口端，第四单片机5的显示数据输出端连接显示电路6的输入端，第四单片机5的键盘控制输入端连接键盘电路7的输出端，第四单片机5的地址数据通信输出输入总线端连接光电隔离电流环串行接口通道8的第四接口端，第二单片机9的地址数据通信输出输入总线端连接光电隔离电流环串行接口通道8的第二接口端，第二单片机9的数据控制输出输入总线端连接两路A/D转换电路10的数据控制输出输入总线端，两路A/D转换电路10的两个模拟信号输入端分别连接AFM系统15的LVZ模拟信号输出端、Aux A模拟信号输出端，第三单片机11的地址数据通信输出输入总线端连接光电隔离电流环串行接口通道8的第三接口端，第三单片机11的数据控制输出输入总线端连接三路D/A转换电路12的数据控制输出输入总线端，三路D/A转换电路12的第一模拟信号输出端连接AFM系统15的Setpoint模拟信号输入端，三路D/A转换电路12的第二模拟信号输出端、第三模拟信号输出端分别连接二维工作台控制器13的两个模拟信号输入端，二维工作台控制器13的控制输出输入端连接二维工作台14的控制输出输入端。
本发明能够直接提供反映表面机械性能的压痕过程曲线及能按一定速率加载的刻划过程的摩擦力信号，并具有制造成本低廉的优点。
它能实现的功能如下：
1、纳米压痕功能，
a、直接获得压痕过程的载荷-压深曲线；
实时获得载荷-压深曲线，施加载荷范围：0-150μN，
b、可以进行点阵压痕试验，
点阵压痕的最大范围为100μm×100μm；点阵中两个压痕点之间的最小间距为500nm。
2、纳米刻划功能，
a、按一定速率加载的刻划过程，
载荷的加载速率范围10μN/s到150μN/s，
b、实现阵列的刻划方式。
最大刻划长度100μm，最小刻划长度为100nm；刻划速度范围为0μm/s-200μm/s。划痕阵列的最大范围为100μm×100μm；划痕阵列中两个划痕之间的最小间距为500nm。
附图说明
图1是本发明的整体电路结构示意图，图2是压痕过程压痕深度测量原理图，图3是刻划过程原理图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，具体实施方式由主控计算机1、串行通信电路2、静态RAM3、第一单片机4、第四单片机5、显示电路6、键盘电路7、光电隔离电流环串行接口通道8、第二单片机9、两路A/D转换电路10、第三单片机11、三路D/A转换电路12、二维工作台控制器13、二维工作台14、AFM系统15组成；
主控计算机1的串口通信端连接串行通信电路2的串口通信端，串行通信电路2的串口通信电平转换接口连接第一单片机4的串行通信端口，第一单片机4的数据地址控制输出输入总线端连接静态RAM3的数据地址控制输出输入总线，第一单片机4的地址数据通信输出输入总线端连接光电隔离电流环串行接口通道8的第一接口端，第四单片机5的显示数据输出端连接显示电路6的输入端，第四单片机5的键盘控制输入端连接键盘电路7的输出端，第四单片机5的地址数据通信输出输入总线端连接光电隔离电流环串行接口通道8的第四接口端，第二单片机9的地址数据通信输出输入总线端连接光电隔离电流环串行接口通道8的第二接口端，第二单片机9的数据控制输出输入总线端连接两路A/D转换电路10的数据控制输出输入总线端，两路A/D转换电路10的两个模拟信号输入端分别连接AFM系统15的LVZ模拟信号输出端、Aux A模拟信号输出端，第三单片机11的地址数据通信输出输入总线端连接光电隔离电流环串行接口通道8的第三接口端，第三单片机11的数据控制输出输入总线端连接三路D/A转换电路12的数据控制输出输入总线端，三路D/A转换电路12的第一模拟信号输出端连接AFM系统15的Setpoint模拟信号输入端，三路D/A转换电路12的第二模拟信号输出端、第三模拟信号输出端分别连接二维工作台控制器13的两个模拟信号输入端，二维工作台控制器13的控制输出输入端连接二维工作台14的控制输出输入端。二维工作台14的底座连接在AFM系统15工作台的台面上。
串行通信电路2选用的型号为MAX232，静态RAM3选用的型号为HM628512-CLP，第一单片机4、第二单片机9、第三单片机11、第四单片机5选用的型号都为MCS_51的77LE58单片机，两路A/D转换电路10选用两个型号为并行16位高精度模/数(AD)转换器件AD976组成，三路D/A转换电路12选用三个型号为并行16位高精度高速数/模(DA)转换器件DAC715组成，二维工作台控制器13选用的型号为E503.00，二维工作台14选用的型号为P517.3，AFM系统15选用的型号为Dimension3100。
工作原理：
(1)纳米压痕检测：
装置：主控计算机1通过串行通信电路2、第一单片机4、光电隔离电流环串行接口通道8、第三单片机11、三路D/A转换电路12的第一路D/A通道连接AFM系统15的信号接口模块中Setpoint端口，实现垂直载荷的施加和卸载；第二、第三两路D/A通道控制二维工作台14的X轴端口和Y轴端口，实现二维工作台14的控制。及两路A/D转换电路10中的一路A/D通道，采集AFM系统15的信号接口模块中LVZ端口，实现扫描陶管位移变化的采集。
实现单点压痕过程，采集到压痕过程的载荷-压深曲线。实现点阵压痕功能。
测量原理如图2所示。表示样品01产生塑性变形，扫描陶管Z向的总位移量ΔZpzt等于探针压入样品01的深度Zdepth和微悬臂02变形量D之和：
ΔZpzt＝Zdepth+D (1)
由微悬臂02的变形量D与微悬臂02的Z向弹性常数，可以计算出探针03施加到表面上的力F：
F＝D*KN (2)
另由式1可得在F作用下的压入深度Zdepth：
Zdepth＝ΔZpzt-D (3)
微悬臂02变形量D是由AFM系统15的参数设定点电压(Setpoint，V)与AFM系统15的灵敏度(由校准过程得到的力曲线得到，(nm/V))的乘积得到，本系统中的主控计算机1通过三路D/A转换电路12的第一路D/A通道来设置参数设定点电压(Setpoint，V)实现动态加载。扫描陶管Z向的总位移量ΔZpzt由主控计算机1通过两路A/D转换电路10的一路A/D通道来实现实时采集LVZ信号而得到。因此，通过式(2)和(3)即可得到载荷与对应压深的关系曲线：压痕过程的载荷-压深曲线，以此数据即可计算该点的硬度和弹性模量等值，实现单点压痕过程。
结合二维精密工作台系统，重复上述单点压痕过程，即可实现在表面内进行点阵压痕功能。具体实现是主控计算机1通过三路D/A转换电路12的第二、第三两路D/A通道控制二维工作台14在X-Y平面内作步进进给，如图2右下角坐标所示，然后调用单点压痕程序。
(2)纳米刻划检测：
装置：主控计算机1通过串行通信电路2、第一单片机4、光电隔离电流环串行接口通道8、第三单片机11、三路D/A转换电路12的第一路D/A通道连接AFM系统15的信号接口模块中Setpoint端口，实现垂直载荷的施加；第二、第三两路D/A通道控制二维工作台14的X轴端口和Y轴端口，实现二维工作台14的控制。两路A/D转换电路10的一路A/D通道，采集AFM系统的信号接口模块中Aux A端口，实现表征水平摩擦力大小的微悬臂02扭转信号的采集。
按一定速率加载的刻划过程的实现包括两个部分：(1)刻划过程中垂直载荷的动态加载：利用公式(2)实现，其中微悬臂02变形量D是由AFM系统15的参数设定点电压(Setpoint，V)与AFM系统15的灵敏度(由校准过程得到的力曲线得到，(nm/V))的乘积得到，本系统中由主控计算机1通过三路D/A转换电路12的第一路D/A通道来设置参数设定点电压(Setpoint，V)实现动态加载。(2)表征摩擦力大小的扭转信号(AFM系统15的PSD水平电压)的测量：由主控计算机1通过两路A/D转换电路10的一路A/D通道来实现实时采集AFM系统15的AuxA信号而得到(如图3)虚线为扭转后，实线为扭转前入射激光04的反射光。
结合二维工作台14，重复上述单点刻划过程，即可实现在表面内进行点阵刻划功能。具体实现是主控计算机1通过三路D/A转换电路12的第二、第三两路D/A通道控制二维工作台14在X-Y平面内作步进进给，然后调用单点刻划程序。
Claims (1)
1、基于AFM的纳米机械性能检测装置，其特征在于它由主控计算机(1)、串行通信电路(2)、静态RAM(3)、第一单片机(4)、第四单片机(5)、显示电路(6)、键盘电路(7)、光电隔离电流环串行接口通道(8)、第二单片机(9)、两路A/D转换电路(10)、第三单片机(11)、三路D/A转换电路(12)、二维工作台控制器(13)、二维工作台(14)、AFM系统(15)组成；
主控计算机(1)的串口通信端连接串行通信电路(2)的串口通信端，串行通信电路(2)的串口通信电平转换接口连接第一单片机(4)的串行通信端口，第一单片机(4)的数据地址控制输出输入总线端连接静态RAM(3)的数据地址控制输出输入总线，第一单片机(4)的地址数据通信输出输入总线端连接光电隔离电流环串行接口通道(8)的第一接口端，第四单片机(5)的显示数据输出端连接显示电路(6)的输入端，第四单片机(5)的键盘控制输入端连接键盘电路(7)的输出端，第四单片机(5)的地址数据通信输出输入总线端连接光电隔离电流环串行接口通道(8)的第四接口端，第二单片机(9)的地址数据通信输出输入总线端连接光电隔离电流环串行接口通道(8)的第二接口端，第二单片机(9)的数据控制输出输入总线端连接两路A/D转换电路(10)的数据控制输出输入总线端，两路A/D转换电路(10)的两个模拟信号输入端分别连接AFM系统(15)的LVZ模拟信号输出端、Aux A模拟信号输出端，第三单片机(11)的地址数据通信输出输入总线端连接光电隔离电流环串行接口通道(8)的第三接口端，第三单片机(11)的数据控制输出输入总线端连接三路D/A转换电路(12)的数据控制输出输入总线端，三路D/A转换电路(12)的第一模拟信号输出端连接AFM系统(15)的Setpoint模拟信号输入端，三路D/A转换电路(12)的第二模拟信号输出端、第三模拟信号输出端分别连接二维工作台控制器(13)的两个模拟信号输入端，二维工作台控制器(13)的控制输出输入端连接二维工作台(14)的控制输出输入端。
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