CN101520389B - 超精密跨尺度原位纳米压痕刻划测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种集驱动、加载、检测、微纳米级力学性能测试、超精密刻划加工和原位观察为一体的超精密跨尺度原位纳米压痕刻划测试系统。该系统主要由沿X、Y轴方向精密定位的载物台、Z轴方向的调整机构和精密压入驱动单元、载荷信号和位移信号的检测单元、用于观测存储测试过程中材料变形、损伤状况的高分辨率数字显微成像系统组成；载物台、Z轴方向的调整机构和精密压入驱动单元均装配在底座上，高分辨率数字显微成像系统装在载物台上，检测金刚石工具头压入材料压力的精密力学传感器和检测X、Y方向载物台精密位移的传感器I装在载物台上，用于检测压入深度Z方向金刚石工具头精密位移的传感器II通过支架I安装在底座上。

Description

超精密跨尺度原位纳米压痕刻划测试系统

技术领域

本发明涉及一种集驱动、加载、检测、微纳米级力学性能测试、超精密刻划加工和原位观察为一体的高性能综合精密实验测试系统，尤其涉及各类试件或材料的微观力学性能测试中的纳米压/划痕实验、原位纳米压/划痕实验和微纳米级原位金刚石刻划加工的装置，属集光机电一体化的精密科学仪器。精密仪器是科技创新和经济社会发展的基石与重要保障，本发明是用于测定表征各类试件或材料的微观力学性能参数的专用测试仪器，并可在高分辨率数字显微成像系统的实时监测下研究被测试件或材料在载荷作用下的力学行为、损伤机制及其与载荷作用和材料性能间的相关性规律，并可用于分析研究精密光栅元件的金刚石刻划加工机理及工艺优化等问题，对新材料新工艺、精密光学、微电子技术和半导体技术、汽车飞机关键零部件制造、钢铁冶金、生物医学工程、微机电系统(MEMS)技术、纳米工程和国防军工等高技术产业集群的发展具有极为重要的支撑推动作用和广阔的产业应用价值。

背景技术

微纳米级材料力学性能的测试技术主要包括纳米压痕(Nanoindentation)、纳米划痕(Nanoscratch)、原子力显微镜(AFM)、微机电系统(MEMS)专用测试技术(如微拉伸等)及相关支撑技术等。按照测试中是否可通过电子显微镜等仪器在线实时监测材料的变形和损伤状况，又可分为原位(In situ)测试和非原位(Ex situ)测试。所谓的原位(或在位)测试，是指对被测件力学性能测试中进行的在线连续监测和分析；与之对应的是非原位测试(又称异位或移位测试)，是指利用实验前或实验后的试件进行力学性能分析。目前绝大多数的纳米力学研究停留在非原位测试技术上。微型机电系统/纳米机电系统(MEMS/NEMS)元件专用测试技术应用范围存在局限性；而传统力学性能测试手段因其测试精度难以达到纳米级；限于篇幅，这里对这两方面的研究情况不做赘述。

(1)、纳米力学性能测试中的支撑技术-精密驱动与检测技术

纳米级精密驱动(或定位)技术和检测技术是现代高科技领域的重要支撑技术。自上世纪中后期以来，出现了利用电致/磁致伸缩材料、形状记忆合金、压电陶瓷等实现精密驱动的研究。由于压电元件具有分辨率高、无电磁干扰、易于微小型化等优点，利用压电元件实现精密驱动的研究受到学术界和工程界的关注，并对惯性冲击式、尺蠖式、粘滑式驱动机构和微位移工作台等多种压电驱动器进行了深入的研究，这些研究成果在超精加工、微细操作、精密仪器、生物医学工程等领域展现了较为广阔的应用前景。在纳米级变形的检测上，目前主要通过光学三角法、干涉法、电容式检测等手段实现；而在微载荷的检测上，研究人员主要利用敏感元件将载荷力转换为弹性元件的微变形，进而通过对变形量或由变形引起的电容(或应变)变化量进行检测得到加载力。

(2)、纳米压痕、纳米划痕等测试技术

在非原位纳米力学测试技术中，以纳米压痕、纳米划痕等最具代表性。纳米压痕测试中，通过分析载荷力、试件变形和“载荷-变形曲线”，可以测得试件的硬度、弹性模量等参数，结合电子显微镜等仪器可以发现材料已发生的变形和损伤状况。在纳米压痕仪等技术的基础上，产生了纳米划痕技术；与纳米压痕不同之处在于纳米划痕技术增加了在划痕方向上的精密定位与位移检测功能。目前，我国还不具备具有自主知识产权的这类技术。

就纳米压痕、纳米划痕等非原位力学测试技术，美国加州大学伯克利分校和劳伦斯-伯克利国家实验室的A.M.Minor等人指出了其存在的不足：由于无法在电子扫描显微镜和透射电子显微镜(SEM、TEM)下进行高分辨率原位监测，因此不能研究变形、损伤状况与载荷作用和材料性能参数间的相关性规律；清华大学温诗铸教授也指出：目前对于材料变形和损伤机制及其与性能参数间的相关性规律方面缺乏深入的研究，而这又是微小元件设计制造环节迫切需要的。此外，这类仪器对温度等因素较敏感，工作环境苛刻，也无法研究温度效应对材料加工性能的影响；设备价格昂贵、测试成本高，国外出于军事和高技术附加值领域的产业化应用考虑，高端仪器设备还对我国封销、禁运。

(3)、原位(In situ)纳米力学性能测试技术

近几年国外在一维纳米结构和三维试件的原位纳米力学测试研究上取得了一些标志性的研究成果，受到国际工程界和学术界的重视，并得到有关政府部门的资助。

美国劳伦斯-利弗莫尔(Lawrence Livermore)和劳伦斯-伯克利(Lawrence Berkeley)两个国家实验室的研究人员在美国能源部资助下，通过齿轮马达和压电元件进行精密定位率先在电镜下开展了原位纳米压痕测试。限于当时的技术水平，该装置结构较大、定位精度不足；只能监测材料的变形行为和损伤状况，无法测试力学参数；但这项研究却具有里程碑性的意义，使得原位监测材料的纳米尺度变形、损伤机制问题成为可能。此后，研究人员通过压电驱动机构推动掺杂的金刚石工具头实现了在电镜真空腔内的原位纳米压痕测试，并分别对单晶硅等材料进行了实验，监测了压痕载荷下材料发生变形和内部出现缺陷的全过程，但他们的工作也存在一些不足：①变形量(或位移量)是通过电镜观察得到的，②加载力是通过施加在压电元件上的电压与其变形量的关系换算得到的；因而导致测试复杂、离线操作环节过多，并降低了测试结果的可信度。

瑞士联邦学院(Swiss Federal Institute)J.Michler等人在欧洲框架计划资助下，研制了由多个运动模块组装而成的原位纳米划痕测试平台，该平台采用基于粘滑驱动机理的压电驱动机构作为精密定位模块；利用该平台在电镜下对砷化镓等进行了原位纳米划痕测试，全程监测了锥形金刚石工具头作用下材料的切屑、裂纹分布情况。但该研究也存在一些不足：①驱动机构工作中存在无法克服的后冲(backlash)现象(后冲幅度达30-100nm)；②加载分辨率不足(为100mN)，③无法检测切向划痕力。

在UC Berkeley和Lawrence Berkeley国家实验室的技术支持下，Hysitron公司将PI95型原位纳米压痕仪推向了市场，该产品由压电驱动装置推动金刚石工具头实现在透射电子显微镜(TEM)监测下的原位压痕测试，由于具有高技术附加值，该产品价格高达25万美金(USD)，且出于军工和高技术附加值领域应用考虑对我国封销禁运。包括Hysitron公司在内的上述工作主要集中在低维纳米结构(如纳米管、纳米薄膜和纳米球等)的力学性能测试上，取得了一系列具有里程碑意义的标志性研究成果，并有力推动了微电子技术、微机电系统和纳米技术等产业的发展。

综上所述，原位纳米力学测试被国际学术界和工程界普遍认为是崭新的、最具发展潜力的研究材料纳米尺度力学性能和损伤机制的有效方法，近几年受到国际工程界、学术界和有关政府部门的高度重视。目前原位纳米力学测试的商业化产品仅有美国Hysitron公司生产，价格十分昂贵，还对我国禁运；且这些原位纳米力学测试由于受特定因素或专门用途的限制，结构极微小的专门试件还必须通过“掩膜、腐蚀、沉积”等复杂繁琐的工艺制作，无法对特征尺寸毫米级以上的三维试件开展测试。由于测试中的尺度效应等因素，利用对极微小试件的测试结果去评价衡量较大尺寸三维试件的综合力学性能缺乏可信性。

本发明以研究试件材料微观力学性能、损伤机制的精密高效测试技术为对象，提出针对特征尺寸毫米级以上三维试件的原位纳米压痕/刻划测试的新技术和新方法，开展研究开发并推进其产业化，迅速填补我国这一领域的空白，并在国际范围内占据一席之地。

发明内容

本发明的目的在于设计一种集驱动、加载、检测、微纳米级力学性能测试、超精密刻划加工和原位观察为一种超精密跨尺度原位纳米压痕刻划测试系统，它由具有X、Y轴精密定位的载物台、Z轴方向的宏动调整机构和精密压入驱动单元、用于检测压入深度Z方向金刚石刀具的运动位移和X、Y方向载物台的位移的精密位移传感器I 7、用于检测金刚石刀具压入材料内部的压力的精密力学传感器和用于观测和存储力学测试过程中材料的变形、损伤状况的精密显微成像系统和数字成像系统组成。具有X、Y轴精密定位的载物台能够实现工件在X、Y轴方向上的精密进给，Z轴方向的宏动调整机构能够快速调整金刚石刀具和工件间的位置，精密压入驱动单元能够实现金刚石刀具向材料内部压入，精密显微成像系统和数字成像系统用于观测和存储力学测试过程中材料的变形、损伤状况。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种超精密跨尺度原位纳米压痕刻划测试系统，主要由具有X、Y轴精密定位的载物台11、Z轴方向的宏动调整机构和精密压入驱动单元15以及用于观测和存储力学测试过程中材料的变形、损伤状况的精密显微成像系统和数字成像系统组成，所述的载物台11、Z轴方向的宏动调整机构和精密压入驱动单元均固定在底座12上，精密显微成像系统和数字成像系统装在载物台11之上，用于检测金刚石刀具压入材料内部的压力的精密力学传感器10和用于检测X、Y方向载物台的微小位移的精密位移传感器I 7装在载物台11上，用于检测压入深度Z方向金刚石刀具的运动位移的精密位移传感器II 23通过支架I 13安装在底座12上。

所述的载物台11主要由微动台、音圈电机25和精密滚动导轨8组成，所述的微动台固定在底座12和连接板I 6之间，音圈电机25和精密滚动导轨8固定在连接板I 6上，并通过连接板I 6上的两组U型槽定位，音圈电机25通过连杆27驱动导轨滑块4沿精密滚动导轨8移动，精密力学传感器10下端通过过度元件9安装在导轨滑块4上，精密力学传感器10上端与载物台11的上台板连接，精密位移传感器I 7通过安装架I 5安装连接板I 6上。

所述的载物台11在X轴方向上通过音圈电机25精密定位，载物台在X轴方向上的微小位移通过精密位移传感器I 7检测，精密位移传感器I 7检测到的位移信号作为音圈电机25控制电源的反馈信号，对划痕实验过程进行闭环控制；载物台在Y轴方向上通过测微丝杠I 1进行精密定位和微小位移的检测。

所述的载物台11下面装有精密力学传感器10，适时检测金刚石刀具32压入材料内部的压力，并将检测到的力信号作为压电叠堆驱动器31电源的反馈信号，形成闭环控制。

所述的Z轴方向的宏动调整机构由一竖直安装的精密微动台和连接板II 16组成，微动台底座II 18固定在竖板19上，连接板II 16与微动台滑台II 17固定连接，精密压入驱动单元15固定安装在连接板II 16上，Z轴方向金刚石刀具32通过调整精密微动台的测微丝杠II 20进行宏动调整。

所述的精密压入驱动单元15主要由柔性铰链29、压电叠堆驱动器30、31、金刚石刀具32、组成，柔性铰链29固定安装到Z轴方向的宏动调整机构的连接板II 16上，并采用单体多自由度，能实现金刚石刀具32在Y轴和Z轴两个方向上的精密进给，柔性铰链29上装有两组压电叠堆驱动器30、31，金刚石刀具32通过锁紧螺钉33与柔性铰链29的悬臂连接在一起。

精密位移传感器II23固定安装在安装座14上，安装座14与支架I 13之间和支架I 13与底座12之间通过滑槽螺栓连接，且在Y、Z轴上的相互位置可调。

所述的用于观测的精密显微成像系统和数字成像系统主要由高倍率的放大镜头26和CCD数字成像系统28组成，所述的高倍率的放大镜头26和CCD数字成像系统28安装在载物台11之上，并通过安装架II 24、支架III 22和支架II 21固定在竖板19上，安装架II 24与支架III 22之间轴连接。

本发明的技术效果是：为特征尺寸毫米级以上三维试件材料(最大尺寸达35mm×35mm×8mm)的硬度、弹性模量和刻划抗力等力学参数的测定表征提供更为精准的测试方法，本发明提出的测试技术与方法其加载位移分辨率达到纳米级、加载力分辨率达到微牛级甚至更高；通过高分辨率数字显微成像系统对测试中材料的发生变形损伤状况进行连续的动态原位监测，为评价分析材料在载荷作用下的力学行为(或服役行为)提供更为准确有效的研究测试手段，为建立载荷作用下材料的变形损伤及其与载荷作用和材料性能间的相关性规律提供技术手段；为复杂光栅结构等的纳米级金刚石刻划加工提供优化加工工艺的方法。本发明专利对材料科学、微电子技术、精密光学、薄膜技术、超精密加工技术和国防军工等领域将起到推动促进作用。

附图说明

附图1是混合驱动式纳米力学性能实验装置主体部分机构图。

附图2是具有X、Y轴精密定位的载物台11的机构图。

附图3(a)是音圈电机25、精密滚动导轨8、精密力学传感器10的安装图；

附图3(b)是图3(a)的A向视图；

附图3(c)是图3(a)的B向视图。

附图4是Z轴方向的宏动调整机构的机构图。

附图5是精密压入驱动单元15的机构图。

附图6是用于检测压入深度Z方向金刚石刀具的运动位移的精密位移传感器II 23的安装机构图。

1.测微丝杠I，2.微动台底座I，3.微动台滑台I，4.导轨滑块，5.安装架I，6.连接板I，7.精密位移传感器I，8.精密滚动导轨，9.过度元件，10.精密力学传感器，11.载物台，12.底座，13.支架I，14.安装座，15.精密压入驱动单元，16.连接板II，17.微动台滑台II，18.微动台底座II，19.竖板，20.测微丝杠II，21.支架II，22.支架III，23.精密位移传感器II，24.安装架II，25.音圈电机，26.高倍率的放大镜头，27.连杆，28.CCD数字成像系统，29.柔性铰链，30、31.压电叠堆驱动器，32.金刚石刀具，33.锁紧螺钉。

具体实施方式

下面结合附图所示实施例进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

本发明的一种高性能综合精密实验系统，具有X、Y轴精密定位的载物台水平布置在底座上，在Y轴方向上采用精密微动台作为驱动，通过微动台的滑台带动滑台上的X轴精密定位机构，微动台具有较大的承载能力，运行平稳，易于控制。X轴精密定位机构采用音圈电机作为驱动，采用精密位移传感器来检测微位移，通过将微位移信号反馈给音圈电机的控制电源，能够实现闭环控制，可实现X轴方向的精密定位，自动化程度高。精密力学传感器通过螺纹连接安装在载物台的下方，可实时检测金刚石刀具压入材料内部的压力。Z轴方向的宏动调整机构采用精密微动台座微驱动，通过微动台的滑台带动滑台上的精密压入驱动单元，实验时可通过调整微动台的测微丝杆快速调整金刚石刀具和工件间的位置。精密压入驱动单元的柔性铰链采用单体多自由度的设计思想设计的，能够实现金刚石刀具在Y轴和Z轴两个方向上的精密进给，精密压入驱动单元还采用了压电叠堆作为进给的驱动，具有分辨率高、无电磁干扰、结构微小等优点。采用了精密位移传感器来检测金刚石刀具的进给位移。通过软件编程控制A/D采集卡将位移传感器输出的位移信号和精密力学传感器输出的力信号同步采集到计算机里，从而获得压痕实验的载荷——深度曲线。通过软件编程控制音圈电机带动载物台沿X轴方向进给就可完成试件的划痕实验。调节Y轴方向的微动台上的测微丝杠I 1就可使试件沿Y轴方向进给，即可在试件上划出多道划痕。所述实验装置上还安装了精密显微成像系统和数字成像系统，可用于观测和存储力学测试过程中材料的变形、损伤状况。

参阅附图1所示，底座12上布置有X、Y轴精密定位的载物台和用于检测压入深度Z方向金刚石刀具的运动位移的精密位移传感器II23，竖板19上设有Z轴方向的宏动调整机构和精密压入驱动单元、用于观测和存储力学测试过程中材料的变形、损伤状况的精密显微成像系统和数字成像系统。

附图2是具有X、Y轴精密定位的载物台的机构图，连接板I 6通过螺纹连接与微动台的滑台3连接在一起，参阅附图3所示，连接板I 6上开有两组U型槽，用于音圈电机25和精密滚动导轨8的定位，以便保证两者间的位置关系。音圈电机25和精密滚动导轨8通过螺纹连接与连接板I 6固连，音圈电机25通过连杆27带动精密滚动导轨的滑块4。参阅附图3所示，精密力学传感器10的上、下两端均有安装螺纹，其中下端螺纹连接到过度元件9上，过度元件9则通过螺纹连接安装到精密滚动导轨的滑块4上，上端螺纹与载物台11连接。连接板I 6上还装有安装架I 5，用于安装测量载物台X轴方向位移的精密位移传感器I 7。

附图4表示的是Z轴方向的宏动调整机构，微动台底座II 18通过螺纹连接安装在竖板19上，连接板II 16通过螺纹连接与微动台滑台II 17连接，整个精密压入驱动单元15则通过螺纹连接安装在连接板II 16上，实验时可通过调整精密微动台的测微丝杠II20来实现Z方向金刚石刀具的宏动调整。

附图5是精密压入驱动单元的机构图，柔性铰链29通过螺纹连接安装到Z轴方向的宏动调整机构的连接板II 16上，柔性铰链上装有两组压电叠堆驱动器30、31，金刚石刀具32通过锁紧螺钉33与柔性铰链29的悬臂连接在一起。柔性铰链29具有Y、Z两个自由度，实验过程中，操作人员可通过控制压电叠堆驱动器的电源来控制金刚石刀具在Y、Z两个方向上的精密进给。

附图6是用于检测压入深度Z方向金刚石刀具的运动位移的精密位移传感器II23的安装机构图，精密位移传感器II 23通过螺纹连接安装在安装座14上，安装座14与支架I 13通过螺栓连接，支架I 13通过螺栓连接到底座12上。支架I 13上开有两道滑槽，连接安装座14和支架I 13的螺栓可在滑槽内沿Z轴方向滑动，连接支架I 13和底座12的螺栓可在滑槽内沿Y轴方向滑动，从而使得精密位移传感器II 23具有Y、Z两个自由度，可方便调整位移传感器23和金刚石刀具32间的位置，保证采集到金刚石刀具32的位移信号。

在纳米压痕测试中，由于金刚石工具头与试件间的接触力通常为毫牛级甚至更低，机械系统各环节变形量十分微小，工具头压入试件的深度可通过精密位移测试装置测得，这里用h表示压头的压入深度；而压痕过程中金刚石工具头施加给试件表面的接触载荷P可通过微型力传感器拾取(或通过简单换算得到)。根据接触力学的相关知识，试件的接触刚度S可表示为

$S={\left(\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dh}}\right)}_{P\max }---\left(1\right)$

结合Oliver-Pharr的相关理论，压痕测试卸载曲线顶部的载荷与对应位移可拟合为一指数函数关系

P＝α(h-h_f)^m    (2)

式中：α和m为拟合参数.

对(2)式在最大载荷处进行微分可得到试件的接触刚度

S＝αm(h_max-h_f)^m-1(3)

另外，试件的接触刚度还可由下式给出

$S=2E_r\·\sqrt{\frac{A}{\mathrm{\π}}}---\left(4\right)$

式中：A为压头此刻与试件的接触面积；E_r为折算模量

$\frac{1}{E_r}=\frac{1-v_s^2}{E_s}+\frac{1-v_i^2}{E_i}---\left(5\right)$

式中：E_s为试件的杨氏模量；E_i为金刚石工具头的杨氏模量；v_s为试件的泊松比；v_i为金刚石工具头的泊松比.

材料的微观硬度可以表示为

$H=\frac{P}{A}---\left(6\right)$

式中：H为被测材料的硬度；P为金刚石工具头施加在材料上的载荷；A金刚石工具头压入材料的接触面积，针对四棱锥金刚石工具头 $A=\frac{4\×\sin (\mathrm{\α}/2)}{{\cos }^2(\mathrm{\α}/2)}\×h^2,$ 针对三棱锥金刚石工具头 $A=\frac{3\×\sqrt{3}\×\tan \mathrm{\α}}{\cos \mathrm{\α}}\×h^2,$ 其中h为接触深度，α为金刚石工具头的中心轴线与其棱面的夹角.结合上述理论，借助纳米压痕试验测得的压痕曲线和相关数据，可计算出被测材料试件的硬度、弹性模量等性能参数，并可考察其蠕变等特性。

Claims (8)

1.一种超精密跨尺度原位纳米压痕刻划测试系统，其特征在于，主要由具有X、Y轴精密定位的载物台(11)、Z轴方向的宏动调整机构、精密压入驱动单元(15)、用于观测和存储力学测试过程中材料的变形、损伤状况的精密显微成像系统和数字成像系统组成，所述的载物台(11)、Z轴方向的宏动调整机构和精密压入驱动单元均固定在底座(12)上，精密显微成像系统和数字成像系统装在载物台(11)之上，用于检测金刚石刀具压入材料内部的压力的精密力学传感器(10)和用于检测X、Y方向载物台的微小位移的精密位移传感器I(7)装在载物台(11)上，用于检测压入深度Z方向金刚石刀具的运动位移的精密位移传感器II(23)通过支架I(13)安装在底座(12)上。

2.根据权利要求1所述的一种超精密跨尺度原位纳米压痕刻划测试系统，其特征在于，所述的载物台(11)主要由微动台、音圈电机(25)和精密滚动导轨(8)组成，所述的微动台固定在底座(12)和连接板I(6)之间，音圈电机(25)和精密滚动导轨(8)固定在连接板I(6)上，并通过连接板I(6)上的两组U型槽定位，音圈电机(25)通过连杆(27)驱动导轨滑块(4)沿精密滚动导轨(8)移动，精密力学传感器(10)下端通过过度元件(9)安装在导轨滑块(4)上，精密力学传感器(10)上端与载物台(11)的上台板连接，精密位移传感器I(7)通过安装架I(5)安装在连接板I(6)上。

3.根据权利要求1或2所述的一种超精密跨尺度原位纳米压痕刻划测试系统，其特征在于，所述的载物台(11)在X轴方向上通过音圈电机(25)精密定位，载物台在X轴方向上的微小位移通过精密位移传感器I(7)检测，精密位移传感器I(7)检测到的位移信号作为音圈电机(25)控制电源的反馈信号，对划痕实验过程进行闭环控制；载物台在Y轴方向上通过测微丝杠I(1)进行精密定位和微小位移的检测。

4.根据权利要求1或2所述的一种超精密跨尺度原位纳米压痕刻划测试系统，其特征在于，所述的载物台(11)下面装有精密力学传感器(10)，适时检测金刚石刀具(32)压入材料内部的压力，并将检测到的力信号作为压电叠堆驱动器(31)电源的反馈信号，形成闭环控制。

5.根据权利要求1所述的一种超精密跨尺度原位纳米压痕刻划测试系统，其特征在于，所述的Z轴方向的宏动调整机构由一竖直安装的精密微动台和连接板II(16)组成，微动台底座II(18)固定在竖板(19)上，连接板II(16)与微动台滑台II(17)固定连接，精密压入驱动单元(15)固定安装在连接板II(16)上，Z轴方向金刚石刀具(32)通过调整精密微动台的测微丝杠II(20)进行宏动调整。

6.根据权利要求1或5所述的一种超精密跨尺度原位纳米压痕刻划测试系统，其特征在于，所述的精密压入驱动单元(15)主要由柔性铰链(29)、压电叠堆驱动器(30、31)、金刚石刀具(32)、组成，柔性铰链(29)固定安装到Z轴方向的宏动调整机构的连接板II(16)上，并采用单体多自由度，能实现金刚石刀具(32)在Y轴和Z轴两个方向上的精密进给，柔性铰链(29)上装有两组压电叠堆驱动器(30、31)，金刚石刀具(32)通过锁紧螺钉(33)与柔性铰链(29)的悬臂连接在一起。

7.根据权利要求1所述的一种超精密跨尺度原位纳米压痕刻划测试系统，其特征在于，精密位移传感器II(23)固定安装在安装座(14)上，安装座(14)与支架I(13)之间和支架I(13)与底座(12)之间通过滑槽螺栓连接，且分别在安装座(14)与支架I(13)之间和支架I(13)与底座(12)之间的相互位置可调。

8.根据权利要求1所述的一种超精密跨尺度原位纳米压痕刻划测试系统，其特征在于，所述的用于观测的精密显微成像系统和数字成像系统主要由高倍率的放大镜头(26)和CCD数字成像系统(28)组成，所述的高倍率的放大镜头(26)和CCD数字成像系统(28)安装在载物台(11)之上，并通过安装架II(24)、支架III(22)和支架II(21)固定在竖板(19)上，安装架II(24)与支架III(22)之间通过轴连接，在高分辨率显微成像系统下，能够实现对纳米压痕/刻划过程中载荷作用下材料发生的力学行为和损伤状况实施动态的原位监测。

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