CN102288501A - 精密纳米压痕测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种精密纳米压痕测试装置，属于精密科学仪器领域。主要由精密压入驱动单元、载荷信号和位移信号的检测单元、载物台组成；精密压入驱动单元由音圈电机、连接件、导轨、滑块组成，其中音圈电机和导轨安装在底座上，检测金刚石压头压入材料压力的精密力学传感器通过侧板Ⅰ安装在底座上，用于检测金刚石压头压入深度精密位移传感器通过侧板Ⅱ安装在底座上，载物台安装在精密力学传感器上，金刚石压头安装在连接板上，连接板通过螺钉装配在滑块上。优点在于：结构简单、加工方便、体积较小，定位精度高、响应迅速、并且可以在电镜下原位观测压入过程中材料的变形过程和损伤机理，从而更加直观的了解材料的微纳米力学性能。

Description

精密纳米压痕测试装置

技术领域

    本发明涉及光机电一体化的精密科学仪器领域，特别涉及一种精密纳米压痕测试装置。

背景技术

纳米压痕/划痕测试技术主要是通过连续记录载荷和压入深度从而获得载荷-压入深度关系曲线，最终通过分析曲线获得被测材料的硬度和弹性模量等参数。测试过程中避免了对压痕位置的寻找和压痕残余面积的测量，可以大大减小测试的误差。通过压痕测试获取压入载荷和压入深度数据，之后绘制相应的载荷-深度关系曲线，通过合适的力学模型及推导，可以从该曲线分析得到丰富的力学参数信息。目前纳米压痕测试已经可以获得硬度、弹性模量、应力-应变曲线、断裂韧性、蠕变特性、疲劳特性、粘附性等参数，纳米划痕测试则可以获得薄膜的临界附着力和摩擦系数等。原位纳米力学测试系统应用于薄膜、多相材料及其晶界、复合材料及其界面、MEMS、生物材料等各种材料在纳米尺度上的力学性能表征，可实现精确定位条件下的原位测试。利用它，可以在纳米尺度上开展材料力学行为的研究，是研究材料纳米尺度力学性能和损伤机制的有效方法，且具有很好的发展潜力。

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。利用电致/磁致伸缩材料、形状记忆合金、压电陶瓷、音圈电机等可以实现精密驱动。近年来，随着对高速、高精度定位系统性能要求的提高和音圈电机技术的迅速发展，音圈电机被广泛用在磁盘、激光唱片定位等精密定位系统中。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，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。

有不少研究采用压痕技术来确定材料的力学性能，国外相关研究者设计的压痕装置， 如Bangert和Wagendristel设计的压痕装置，该装置可以放于扫描电镜真空腔内，但他们并没有进行实际压痕过程的原位监测，实际上，他们设计的仪器是为了克服种种限制因素，如定位精度以及对微小载荷 (50μN–20mN)下压痕痕迹的检测问题。其主要缺陷在于缺少载荷和位移传感器，所以无法得到材料的力学机械性能与微观组织演变的关系；美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）和美国劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）的M.A.Wall等人率先研制的一种通过齿轮马达和压电元件实现精密驱动的原位纳米压痕装置，其主要缺陷是由于不能检测加载力导致无法测试材料力学参数，不能研究载荷作用对材料变形损伤的影响规律；A.M.Minor等的装置通过施加在压电元件上的电压与其变形量关系经换算得到加载力，造成测试复杂、离线操作环节过多，还存在加载力换算的模型误差和参数误差，影响了测试结果在量值上的可信性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种精密纳米压痕测试装置，并且在扫描电镜（SEM）下进行压痕试验，获取材料的力学性能参数，通过原位监测对载荷作用下材料的变形损伤，研究其变形损伤机制及其与载荷作用和材料性能间的相关性规律，解决了装置结构复杂、总体尺寸大而不易实现在线检测的问题，并且解决了现有的对材料机械性能测量和检测微观形貌是相互独立且分离的问题。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

精密纳米压痕测试装置，包括精密压入驱动单元、载荷信号检测单元和位移信号的检测单元；所述精密压入驱动单元包括音圈电机14、连接件13、连接板1、导轨7及滑块8，该音圈电机14、导轨7分别固定在底座6上，连接件13与音圈电机14相连接，该连接件13通过螺栓与连接板1相连接，连接板1连接在滑块8上，该滑块8与导轨7滑动连接；通过音圈电机14驱动连接板1，从而实现滑块8在导轨7上直线运动；

所述载荷信号检测单元包括金刚石压头2、载物台3、精密力学传感器4及侧板Ⅰ5，该精密力学传感器4通过侧板Ⅰ5固定在底座6上，载物台3与精密力学传感器4连接，金刚石压头2固定在连接板1上；

所述位移信号检测单元包括侧板Ⅱ11及光栅传感器的光栅尺12和读数头10，该读数头10通过螺栓与侧板Ⅱ11连接，该侧板Ⅱ11固定在底座6上；光栅尺12通过连接片9与连接件13粘接，音圈电机14驱动从而带动连接件13直线移动，实现了光栅尺12移动。

所述的侧板Ⅱ11结构为L型，所以便于调节读数头10与光栅尺12的相对位置和平行度。

所述的精密纳米压痕测试装置的材质为铝合金。

本发明是一种集驱动、加载、检测、微纳米级力学性能测试为一体的高性能精密测试系统，并且可以在显微成像仪器的腔体中进行原位测试。可应用各类试件或材料的微观力学性能测试中的纳米压痕、原位纳米压痕测试。本发明采用光栅位移传感器来检测位移信号，这使得整个装置结构充分简化，其测量输出的信号为数字脉冲，具有检测范围大，检测精度高，响应速度快的特点。采用音圈电机和光栅位移传感器，使该装置的结构得到充分简化，操作更加简单方便。本发明采用音圈电机进行精密驱动，音圈电机（Voice Coil Actuator）是一种特殊形式的直接驱动电机，具有结构简单、体积小、高速、高加速、大行程、响应快等特性，并具有线性力-行程特性和较高的电-机能量转化率，在大行程内都具有高的位移分辨率。这些属性使音圈电机具有平滑可控性，成为应用在各种形式伺服模式中的理想装置，更适用于要求快速高精度定位的控制系统。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，由于测试装置结构充分微小型化，所以可以利用扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）等精密测试仪器，实现材料微观力学性能的在线观测和分析。并可以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，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。

本发明的有益效果在于：本发明提出的位移检测技术达到纳米级、加载力分辨率达到微牛级；结构简单、加工方便、体积较小，定位精度高、响应迅速、并且可以在电镜下原位观测压入过程中材料的变形过程和损伤机理，从而更加直观的了解材料的微纳米力学性能。本发明可以为检测材料性能参数提供有效的方法和实验设备，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

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明的俯视示意图。

图3是本发明的精密压入驱动单元的结构示意图。

图4是本发明的连接件的结构示意图。

图中：1.连接板，2.金刚石压头，3.载物台，4.精密力学传感器，5.侧板Ⅰ，6.底座，7.导轨，8.滑块，9.连接片，10.读数头，11. 侧板Ⅱ，12.光栅尺，13.连接件，14.音圈电机。

具体实施方式

下面结合附图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至图4，本发明的精密纳米压痕测试装置包括精密压入驱动单元、载荷信号检测单元和位移信号的检测单元；所述精密压入驱动单元包括音圈电机14、连接件13、连接板1、导轨7及滑块8，该音圈电机14、导轨7分别固定在底座6上，连接件13与音圈电机14相连接，该连接件13通过螺栓与连接板1相连接，连接板1连接在滑块8上，该滑块8与导轨7滑动连接；通过音圈电机14驱动连接板1，从而实现滑块8在导轨7上直线运动；

所述载荷信号检测单元包括金刚石压头2、载物台3、精密力学传感器4及侧板Ⅰ5，该检测金刚石压头压入材料压力的精密力学传感器4通过侧板Ⅰ5固定在底座6上，载物台3与精密力学传感器4连接，金刚石压头2固定在连接板1上；

所述位移信号检测单元包括侧板Ⅱ11及光栅传感器的光栅尺12和读数头10，该读数头10通过螺栓与侧板Ⅱ11连接，该侧板Ⅱ11固定在底座6上；光栅尺12通过连接片9与连接件13粘接，音圈电机14驱动从而带动连接件13直线移动，实现了光栅尺12移动。

所述的侧板Ⅱ11结构为L型，所以便于调节读数头10与光栅尺12的相对位置和平行度。

所述的精密纳米压痕测试装置的材质为铝合金，结构简单、便于加工，并且测试装置结构充分微小型化，所以可以利用扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）等精密测试仪器，实现材料微观力学性能的在线观测和分析。

连接片9用双面胶贴在连接件13上，而光栅尺12贴在连接片9上，这样设计是因为连接片9容易拆卸，可以重复使用，不仅局限于这个装置，也可以在别的装置上使用光栅尺。

本发明实施原位纳米压痕测试的被测试件为特征尺寸在毫米级以上的三维试件。

本发明是一种高性能精密测试系统，因为系统要求快速高精度定位，所以选择音圈电机14作为驱动单元，其具有结构简单、体积小、高加速、响应快等特性，具有平滑可控性。音圈电机14作为直接驱动电机，从而推动连接板1运动，而连接板1与滑块8相连接，并且金刚石压头2安装在连接板1端部，所以可以实现金刚石压头2平稳进给。精密力学传感器4固定端与侧板Ⅰ5连接，另一端与载物台3连接，侧板Ⅰ5固定在底座6上，金刚石压头2与载物台3通过安装就可以保证相互垂直。通过软件编程控制音圈电机14带动连接板1进给就可完成对试件的压痕实验。通过软件编程控制A/D采集卡将精密力学传感器4输出的力信号采集到计算机里，从而获得压痕实验的载荷——深度曲线。

参见图1所示，音圈电机14、导轨7、侧板Ⅰ5、侧板Ⅱ11装配在底座6上，精密力学传感器4安装在侧板Ⅰ5上，光栅传感器读数头10安装在侧板Ⅱ11上，光栅尺12贴在连接片9上，而连接片9贴在连接件13上。

参阅图2所示，载物台3安装在精密力学传感器4上，金刚石压头2安装在连接板1端部。

参见图3、图4所示，精密压入驱动单元由音圈电机14、连接件13、连接板1、导轨7、滑块8组成，其中音圈电机14、导轨7安装在底座6上，连接件13与音圈电机14相连接，又通过螺栓与连接板1相连接，连接板1安装在滑块8上。通过音圈电机14驱动，从而实现滑块8在导轨7上直线运动。

Claims (3)

1.一种精密纳米压痕测试装置，其特征在于：包括精密压入驱动单元、载荷信号检测单元和位移信号的检测单元；所述精密压入驱动单元包括音圈电机（14）、连接件（13）、连接板（1）、导轨（7）及滑块（8），该音圈电机（14）、导轨（7）分别固定在底座（6）上，连接件（13）与音圈电机（14）相连接，该连接件（13）通过螺栓与连接板（1）相连接，连接板（1）连接在滑块（8）上，该滑块（8）与导轨（7）滑动连接；

所述载荷信号检测单元包括金刚石压头（2）、载物台（3）、精密力学传感器（4）及侧板Ⅰ（5），该精密力学传感器（4）通过侧板Ⅰ（5）固定在底座（6）上，载物台（3）与精密力学传感器（4）连接，金刚石压头（2）固定在连接板（1）上；

所述位移信号检测单元包括侧板Ⅱ（11）及光栅传感器的光栅尺（12）和读数头（10），该读数头（10）通过螺栓与侧板Ⅱ（11）连接，该侧板Ⅱ（11）固定在底座（6）上；光栅尺（12）通过连接片（9）与连接件（13）粘接。

2.根据权利要求1所述的精密纳米压痕测试装置，其特征在于：所述的侧板Ⅱ（11）结构为L型。

3.根据权利要求1或2所述的精密纳米压痕测试装置，其特征在于：所述精密纳米压痕测试装置的材质为铝合金。

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