CN102252925A - 纳米压痕/刻划测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种纳米压痕/刻划测试装置，属于机电一体化精密科学仪器领域。其结构包括X、Y精密定位平台、Z轴宏动调整机构、精密压入驱动单元、载荷信号检测单元和位移信号检测单元，其中，所述的X、Y精密定位平台通过连接板Ⅰ2与粗调整机构Ⅲ15相连，该调整机构Ⅲ15固定在底座1上，载物台8通过力传感器9与X、Y精密定位平台连接；精密压入驱动单元通过Z轴宏动调整机构固定在侧板Ⅰ3上，该侧板Ⅰ3固定在底座1上；位移信号检测单元通过其侧板Ⅱ14固定在底座1上。技术效果是：结构紧凑、体积小。可以实现特征尺寸毫米级以上三维试件的力学性能测试（最大尺寸达到20mm×20mm×10mm）；位移加载分辨率达到纳米级、加载力分辨率达到微牛级。

Description

纳米压痕/刻划测试装置

技术领域

    本发明涉及光机电一体化精密科学仪器领域，特别涉及一种集驱动、加载、检测、微纳米级力学性能测试和超精密刻划加工为一体纳米压痕/刻划测试装置。

背景技术

       微纳米力学测试技术是近些年来发展起来的一项前沿科学技术，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。其中又以纳米压痕/划痕测试技术应用的最为广泛，在上述众多领域发挥了重要作用，促进了研究人员对材料变形、损伤机理的深入研究，相关研究成果得到国际顶级期刊的报道。

目前国外已有部分商业化的纳米压痕仪，但是由于高精尖领域以及军事领域技术封锁，国外很多高端设备对我国禁运。目前我国在该领域尚未有成形的测试装置，这严重阻碍了我国在相关领域的发展，同时由于缺乏核心技术，很多领域的发展都受到国外仪器的限制。另外这些商业化的仪器体积都比较庞大，结构也比较复杂不能安置在扫描电子显微镜（SEM）、拉曼光谱仪、透射电子显微镜（TEM）、光学显微镜等观测仪器下实现材料的原位纳米压痕测试，很多和材料损伤、破坏有关的信息无法获取。因此，有必要开发出具有我国自主知识产权的纳米压痕测试装置，特别是开发出结构紧凑、有望实现原位压痕测试的装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纳米压痕/刻划测试装置，解决了国外仪器体积庞大、结构复杂，不能安置在观测仪器下实现材料的原位纳米压痕测试，很多和材料损伤、破坏有关的信息无法获取等问题，并填补了我国在该领域的空白。本发明目的在于开发出结构紧凑、具有我国自主知识产权的纳米压痕/刻划测试新装置，促进我国在高端仪器制造业的发展，并在国际前沿领域占据一席之地。精密仪器是科技创新和经济社会发展的基石与重要保障，本发明可以对各类试件或材料的微纳米力学性能进行测试，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、微电子技术及半导体技术、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。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

纳米压痕/刻划测试装置，其结构包括X、Y精密定位平台、Z轴宏动调整机构、精密压入驱动单元、载荷信号检测单元和位移信号检测单元，其中，所述的X、Y精密定位平台通过连接板Ⅰ2与粗调整机构Ⅲ15相连，该调整机构Ⅲ15固定在底座1上，载物台8通过力传感器9与X、Y精密定位平台连接；精密压入驱动单元通过Z轴宏动调整机构固定在侧板Ⅰ3上，该侧板Ⅰ3固定在底座1上；位移信号检测单元通过其侧板Ⅱ14固定在底座1上。

所述的X、Y精密定位平台包括粗调整机构Ⅲ15、连接板Ⅰ2、X-Y铰链10、X与Y向压电叠堆16和预紧螺钉11，其中，该粗调整机构Ⅲ15通过螺钉与底座1相连接，X-Y铰链10通过连接板Ⅰ2与粗调整机构Ⅲ15上的活动块连为一体，X与Y向压电叠堆16嵌入在X-Y铰链10内，并通过预紧螺钉11紧固；通过旋动粗调整机构Ⅲ15上的旋钮可以实现载物台8在X方向上的粗定位；给X向与Y向压电叠堆提供驱动电压则可以实现载物台8在负X向和正Y向的精密运动，以实现压痕测试中的精密定位和划痕测试中的划入。

所述的Z轴宏动调整机构包括粗调整机构Ⅰ4和连接板Ⅱ5，该粗调整机构Ⅰ4固定在侧板Ⅰ3上，连接板Ⅱ5与粗调整机构Ⅰ4固定连接，精密压入驱动单元固定在连接板Ⅱ5上，金刚石压头19在Z轴方向上通过粗调整机构Ⅰ4进行宏动调整。

所述的精密压入驱动单元包括Z向柔性铰链6、Z向压电叠堆驱动器17及金刚石压头19，该Z向柔性铰链6固定在Z轴方向的宏动调整机构的连接板Ⅱ5上，该Z向柔性铰链6上设有压电叠堆驱动器17，金刚石压头19通过锁紧螺钉18与Z向柔性铰链6连接在一起。

所述的位移信号检测单元包括激光位移传感器7、连接板Ⅲ12、粗调整机构Ⅱ13和侧板Ⅱ14，该激光位移传感器7通过连接板Ⅲ12与粗调整机构Ⅱ13连接，该粗调整机构Ⅱ13固定在侧板Ⅱ14上。调整时，旋动粗调整机构Ⅱ13上的旋钮，粗调整机构Ⅱ13在Z轴方向产生运动，通过连接板Ⅲ12带动激光位移传感器7在Z轴方向实现运动，直至激光位移传感器7上的指示灯为绿色时说明传感器调整位置合适，之后将粗调整机构Ⅱ13锁死。

所述的载荷信号检测单元是由安装在载物台8下面的力传感器9进行测量，并将检测到的载荷信号作为反馈信号对压电叠堆驱动电源进行控制，实现闭环控制。

本发明的技术效果是：结构紧凑、体积小。可以实现特征尺寸毫米级以上三维试件的力学性能测试（最大尺寸达到20mm×20mm×10mm）；位移加载分辨率达到纳米级、加载力分辨率达到微牛级；可以对金属材料、半导体材料、光电材料、生物材料等进行微纳米力学测试，对其力学性能做出评价，在汽车、半导体、生物医学、仿生学、材料科学、微机电系统、纳米技术等领域都将有重要的应用。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、生物力学、生物医学和国防军工等领域将起到推动促进作用。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的X、Y精密定位平台结构示意图；

图3是本发明的Z轴调整机构结构示意图；

图4是本发明的激光位移传感器辅助调整机构结构示意图。

    1.底座，2.连接板Ⅰ，3.侧板Ⅰ，4.粗调整机构Ⅰ，5.连接板Ⅱ，6.Z向柔性铰链，7.激光位移传感器，8.载物台，9.力传感器，10.X-Y铰链，11.预紧螺钉，12.连接板Ⅲ，13.粗调整机构Ⅱ，14.侧板Ⅱ，15.粗调整机构Ⅲ，16.X与Y向压电叠堆，17.Z向压电叠堆，18.锁紧螺钉，19.金刚石压头。

具体实施方式

下面结合附图所示进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

参见图1，本发明的纳米压痕/刻划测试装置，其结构包括X、Y精密定位平台、Z轴宏动调整机构、精密压入驱动单元、载荷信号检测单元和位移信号检测单元，其中，所述的X、Y精密定位平台通过连接板Ⅰ2与粗调整机构Ⅲ15相连，该调整机构Ⅲ15固定在底座1上，载物台8通过力传感器9与X、Y精密定位平台连接；精密压入驱动单元通过Z轴宏动调整机构固定在侧板Ⅰ3上，该侧板Ⅰ3固定在底座1上；位移信号检测单元通过其侧板Ⅱ14固定在底座1上。

参见图2，所述的X、Y精密定位平台包括粗调整机构Ⅲ15、连接板Ⅰ2、X-Y铰链10、X与Y向压电叠堆16和预紧螺钉11，其中，该粗调整机构Ⅲ15通过螺钉与底座1相连接，X-Y铰链10通过连接板Ⅰ2与粗调整机构Ⅲ15上的活动块连为一体，X与Y向压电叠堆16嵌入在X-Y铰链10内，并通过预紧螺钉11紧固；通过旋动粗调整机构Ⅲ15上的旋钮可以实现载物台8在X方向上的粗定位；给X向与Y向压电叠堆提供驱动电压则可以实现载物台8在负X向和正Y向的精密运动，以实现压痕测试中的精密定位和划痕测试中的划入。

参见图3，所述的Z轴宏动调整机构包括粗调整机构Ⅰ4和连接板Ⅱ5，该粗调整机构Ⅰ4固定在侧板Ⅰ3上，连接板Ⅱ5与粗调整机构Ⅰ4固定连接，精密压入驱动单元固定在连接板Ⅱ5上，金刚石压头19在Z轴方向上通过粗调整机构Ⅰ4进行宏动调整。

参见图1，所述的精密压入驱动单元包括Z向柔性铰链6、Z向压电叠堆驱动器17及金刚石压头19，该Z向柔性铰链6固定在Z轴方向的宏动调整机构的连接板Ⅱ5上，该Z向柔性铰链6上设有压电叠堆驱动器17，金刚石压头19通过锁紧螺钉18与Z向柔性铰链6连接在一起。

参见图4，所述的位移信号检测单元包括激光位移传感器7、连接板Ⅲ12、粗调整机构Ⅱ13和侧板Ⅱ14，该激光位移传感器7通过连接板Ⅲ12与粗调整机构Ⅱ13连接，该粗调整机构Ⅱ13固定在侧板Ⅱ14上。调整时，旋动粗调整机构Ⅱ13上的旋钮，粗调整机构Ⅱ13在Z轴方向产生运动，通过连接板Ⅲ12带动激光位移传感器7在Z轴方向实现运动，直至激光位移传感器7上的指示灯为绿色时说明传感器调整位置合适，之后将粗调整机构Ⅱ13锁死。

参见图1，所述的载荷信号检测单元是由安装在载物台8下面的力传感器9进行测量，并将检测到的载荷信号作为反馈信号对压电叠堆驱动电源进行控制，实现闭环控制。

参见图1至图4，载物台8通过力传感器9与X、Y精密定位平台连接，通过粗调整机构15实现在X方向上的粗调整，通过X-Y铰链10及X与Y向压电叠堆16实现在X-Y平面内的精密定位。力传感器9在测试过程中完成对载荷信号的检测，载荷信号作为反馈信号实现对压痕测试的闭环控制。精密压入驱动单元安装在Z轴宏动调整机构上，二者相互配合实现金刚石压头19在Z轴方向上的粗调整和精密压入与压出。激光位移传感器7在Z轴方向上的调整通过粗调整机构Ⅱ13实现。使用时，将被测材料或试件通过黏胶或石蜡粘贴在载物台8上，调整粗调整机构Ⅲ15使被测材料或试件处于金刚石压头19的下方；调节粗调整机构Ⅱ13使金刚石压头19在Z轴方向上靠近被测材料或试件表面，当即将接触时停止粗调节，给Z向压电叠堆供电，并不断增大驱动电压直至力传感器9示数发生变化，此时保持电压；调节粗调整机构Ⅱ13使激光位移传感器7的指示灯变为绿色时说明传感器调整位置合适，此时激光位移传感器7处于最合适的测量范围（±50μm）；选择合适的电压步长给Z向压电叠堆继续供电，利用力传感器信号作为反馈信号实现对压电叠堆电源的控制，达到闭环控制的目的，与此同时，通过采集卡将力传感器9和激光位移传感器7的输出信号进行同步调理和采集，并送入上位机进行处理，结合Oliver-Pharr的相关理论得到被测材料或试件的相关力学参数。

Claims (6)

1.一种纳米压痕/刻划测试装置，其特征在于：包括X、Y精密定位平台、Z轴宏动调整机构、精密压入驱动单元、载荷信号检测单元和位移信号检测单元，其中，所述的X、Y精密定位平台通过连接板Ⅰ（2）与粗调整机构Ⅲ（15）相连，该调整机构Ⅲ（15）固定在底座（1）上，载物台（8）通过力传感器（9）与X、Y精密定位平台连接；精密压入驱动单元通过Z轴宏动调整机构固定在侧板Ⅰ（3）上，该侧板Ⅰ（3）固定在底座1上；位移信号检测单元通过其侧板Ⅱ（14）固定在底座1上。

2.根据权利要求1所述的纳米压痕/刻划测试装置，其特征在于：所述的X、Y精密定位平台包括粗调整机构Ⅲ（15）、连接板Ⅰ（2）、X-Y铰链（10）、X与Y向压电叠堆（16）和预紧螺钉（11），该粗调整机构Ⅲ（15）通过螺钉与底座（1）相连接，X-Y铰链（10）通过连接板Ⅰ（2）与粗调整机构Ⅲ（15）上的活动块连为一体，X与Y向压电叠堆（16）嵌入在X-Y铰链（10）内，并通过预紧螺钉（11）紧固。

3.根据权利要求1所述的纳米压痕/刻划测试装置，其特征在于：所述的Z轴宏动调整机构包括粗调整机构Ⅰ（4）和连接板Ⅱ（5），该粗调整机构Ⅰ（4）固定在侧板Ⅰ（3）上，连接板Ⅱ（5）与粗调整机构Ⅰ（4）固定连接，精密压入驱动单元固定在连接板Ⅱ（5）上，金刚石压头（19）在Z轴方向上通过粗调整机构Ⅰ（4）进行宏动调整。

4.根据权利要求1所述的纳米压痕/刻划测试装置，其特征在于：所述的精密压入驱动单元包括Z向柔性铰链（6）、Z向压电叠堆驱动器（17）及金刚石压头（19），该Z向柔性铰链（6）固定在Z轴方向的宏动调整机构的连接板Ⅱ（5）上，该Z向柔性铰链（6）上设有压电叠堆驱动器（17），金刚石压头（19）通过锁紧螺钉（18）与Z向柔性铰链（6）连接在一起。

5.根据权利要求1所述的纳米压痕/刻划测试装置，其特征在于：所述的位移信号检测单元包括激光位移传感器（7）、连接板Ⅲ（12）、粗调整机构Ⅱ（13）和侧板Ⅱ（14），该激光位移传感器（7）通过连接板Ⅲ（12）与粗调整机构Ⅱ（13）连接，该粗调整机构Ⅱ（13）固定在侧板Ⅱ（14）上。

6.根据权利要求1所述的纳米压痕/刻划测试装置，其特征在于：所述的载荷信号检测单元是由安装在载物台（8）下面的力传感器（9）进行测量，并将检测到的载荷信号作为反馈信号对压电叠堆驱动电源进行控制。

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