CN102928306A - 原位微纳米力学测试及刻划加工一体机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种原位微纳米力学测试及刻划加工一体机，属于机电一体化精密科学仪器。其左侧步进电机通过联轴器驱动丝杠螺母，由丝杠螺母带动相关连接件，实现柔性铰链和金刚石压头的粗进给，由压电叠堆驱动柔性铰链实施精密进给。右侧载物台和精密力传感器安装在柔性铰链上，通过螺钉与动子连接，动子两侧薄片状结构与两个柔性铰链输出端间隙配合，动子与导轨滑块连接，两个对称的柔性铰链和导轨安装在尾座上，尾座安装在基座上。优点在于：体积小、结构紧凑，可安装在扫描电子显微镜中实现微纳米压痕、刻划测试。可先进行材料的原位微纳米压痕测试，根据测试结果优化刻划加工工艺，之后依据优化的工艺参数实现刻划加工，最终实现测试加工一体化。

Description

原位微纳米力学测试及刻划加工一体机

 

技术领域

    本发明涉及机电一体化精密科学仪器领域，特别涉及一种集原位微纳米力学测试及刻划加工为一体的原位微纳米力学测试及刻划加工一体机，在材料科学、超精密加工、半导体技术、固体力学等领域具有较好的应用前景。

背景技术

    原位微纳米力学测试技术是近几年发展起来的前沿技术，受到各国政府和研究机构的高度关注。原位纳米压痕测试技术由于具有高的载荷和位移测试分辨率，在微尺度力学测试中显现出独特的优势，据此开展的相关研究成果也得到《Nature》、《Science》、《PNAS》等顶级期刊的多次报道。相比于非原位纳米压痕测试技术，原位纳米压痕测试技术目前只被少数的研究人员所掌握和使用，主要原因是该项技术需要在满足高的测试精度的同时，保证测试仪器的小型化以及与原位监测设备的兼容性。目前原位纳米压痕测试主要集中在透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）中开展，两者都具有非常有限的工作腔体，并且需要保证测试装置与工作腔体的电磁兼容性和真空兼容性，正是这些原因限制了原位纳米压痕测试技术的快速发展。总体来看，研究高精度、大测试范围、低成本的原位纳米压痕测试装置依然是具有挑战性的工作，同时也是一项紧迫性的工作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种原位微纳米力学测试及刻划加工一体机，解决了现有技术存在的上述问题。本发明体积小、结构紧凑，可集成于扫描电子显微镜的样品台上，实现材料压痕、划痕测试过程的可视化动态监测。更为重要的是利用本发明可实现测试加工一体化，即先利用原位压痕测试获取材料力学性能参数并优化刻划加工工艺参数，后进行原位刻划加工，该研究思想对于研究并利用材料的力学性能参数解决精密、超精密加工中遇到的技术瓶颈具有重要意义。本发明首先着眼于实现在扫描电子显微镜内的微纳米压痕测试，得到被测材料的硬度、弹性模量等参数并动态研究材料在压痕载荷作用下的变形损伤过程，获取其变形损伤机理，之后根据得到的力学性能参数，结合开发的原位刻划模块，优化刻划加工工艺参数，实现对材料的原位刻划加工，进而实现原位压痕测试与刻划加工一体化。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

原位微纳米力学测试及刻划加工一体机，金刚石压头7通过螺钉紧固在柔性铰链a5前端，柔性铰链a 5通过螺钉固定安装在过渡块16上，精密位移传感器4固定安装在柔性铰链a 5上，压电叠堆a 6安装在柔性铰链a 5内部凹槽中，通过压电叠堆a 6驱动柔性铰链a 5，进而带动金刚石压头7实现精密进给，过渡块16通过螺钉固定安装在连接件a 17上，连接件a 17与精密导轨滑块b 18通过螺钉连接，丝杠螺母3与连接件a 17通过螺钉连接，步进电机1和精密导轨滑块18分别固定安装在基座19上，通过步进电机1带动丝杠螺母3，驱动连接件17等实现粗进给；载物台8安装在精密力传感器15上，精密力传感器15通过螺纹副固定在柔性铰链c 14上，柔性铰链c 14通过螺钉与动子10连接，动子10两侧薄片状结构与两个柔性铰链b 13输出端通过间隙配合实现连接，动子10与精密导轨滑块a 9通过螺钉连接，两个对称的柔性铰链b 13和精密导轨滑块a 9分别安装在尾座11上，尾座11通过螺钉固定安装在基座19上。

所述的柔性铰链c 14为平行四边形放大结构，其凹槽内部安装有压电叠堆c 20，可以精密调整载物台8和精密力传感器15在竖直方向上的位置。

所述的原位微纳米力学测试及刻划加工一体机的总体尺寸为167 mm×130 mm×53 mm。

本发明的压电叠堆b 12、柔性铰链b 13、动子10以及对称部分的压电叠堆和柔性铰链组成的结构是基于寄生运动原理，该结构可实现动子10毫米级大行程和微纳米级高精度定位。

本发明的有益效果在于：本发明的总体尺寸为167 mm×130 mm×53 mm，体积小、结构紧凑，可集成安装在主流扫描电子显微镜中实现材料压痕、划痕测试的可视化动态监测，为研究材料的变形损伤机理提供可用方案。更为重要的是可实现测试加工一体化，即先利用原位压痕测试获取材料力学性能参数并优化刻划加工工艺参数，后进行原位刻划加工。本发明包含了测试加工一体化的思想，对于借助研究材料的力学性能、变形损伤机理来优化指导材料的加工工艺具有重要意义，对于解决现有超精密加工中遇到的技术瓶颈提出一种可行的工具，对于提高试件加工质量、加工效率的研究有重要促进作用，并将在材料科学、超精密加工、半导体技术、固体力学等领域具有较好的应用前景。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为本发明的俯视结构示意图；

图3为本发明的主视结构示意图；

图4为本发明的右侧基于寄生运动原理的结构示意图；

图中：1、步进电机；2、联轴器；3、丝杠螺母；4、精密位移传感器；5、柔性铰链a；6、压电叠堆a；7、金刚石压头；8、载物台；9、精密导轨滑块a；10、动子；11、尾座；12、压电叠堆b；13、柔性铰链b；14、柔性铰链c；15、精密力传感器；16、过渡块；17、连接件a；18、精密导轨滑块b；19、底座；20、压电叠堆c；21、连接件b。

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，本发明的原位微纳米力学测试及刻划加工一体机，包括步进电机1、联轴器2、丝杠螺母3、精密位移传感器4、柔性铰链a5、压电叠堆a6、金刚石压头7、载物台8、精密导轨滑块a9、动子10、尾座11、压电叠堆b12、柔性铰链b13、柔性铰链c14、精密力传感器15、过渡块16、连接件a17、精密导轨滑块b18、底座19、压电叠堆c20及连接件b21，其中，金刚石压头7通过螺钉紧固在柔性铰链a5前端，柔性铰链a 5通过螺钉固定安装在过渡块16上，精密位移传感器4固定安装在柔性铰链a 5上，压电叠堆a 6安装在柔性铰链a 5内部凹槽中，通过压电叠堆a 6驱动柔性铰链a 5，进而带动金刚石压头7实现精密进给，过渡块16通过螺钉固定安装在连接件a 17上，连接件a 17与精密导轨滑块b 18通过螺钉连接，丝杠螺母3与连接件a 17通过螺钉连接，步进电机1和精密导轨滑块18分别固定安装在基座19上，通过步进电机1带动丝杠螺母3，驱动连接件17等实现粗进给；载物台8安装在精密力传感器15上，精密力传感器15通过螺纹副固定在柔性铰链c 14上，柔性铰链c 14通过螺钉与动子10连接，动子10两侧薄片状结构与两个柔性铰链b 13输出端通过间隙配合实现连接，动子10与精密导轨滑块a 9通过螺钉连接，两个对称的柔性铰链b 13和精密导轨滑块a 9分别安装在尾座11上，尾座11通过螺钉固定安装在基座19上。

所述的柔性铰链c 14为平行四边形放大结构，其凹槽内部安装有压电叠堆c 20，可以精密调整载物台8和精密力传感器15在竖直方向上的位置。

所述的原位微纳米力学测试及刻划加工一体机的总体尺寸为167 mm×130 mm×53 mm。

本发明的压电叠堆b 12、柔性铰链b 13、动子10以及对称部分的压电叠堆和柔性铰链组成的结构是基于寄生运动原理，该结构可实现动子10毫米级大行程和微纳米级高精度定位。

参见图1至图4，本发明包含两个运动输出端，一是金刚石压头7，二是载物台8，其中金刚石压头7的运动分为粗进给和精密进给，粗进给由步进电机1实现，具体实施方式为：由安装在基座19上的步进电机1通过联轴器2驱动丝杠螺母3将步进电机1的旋转运动转变为螺母的直线运动，螺母带动固定其上的连接件a17以及过渡块16、柔性铰链a5等实现粗进给；精密进给由压电叠堆a6驱动，具体方式为：给安装在柔性铰链a5内部的压电叠堆a6施加电压，使其伸长或缩短，驱动柔性铰链a5做相应动作，从而带动安装在柔性铰链a5前端的金刚石压头7实现精密进给，在精密进给的过程中，安装在柔性铰链a5下部的精密位移传感器4可以检测出柔性铰链a5前端及金刚石压头7的运动位移。

载物台8的运动分为两种，一种是竖直方向的运动，一种是水平方向的运动，具体实施方式为：竖直方向上，柔性铰链c14固定安装在动子上，柔性铰链c14内部安装有压电叠堆c20，柔性铰链c14上端安装有精密力传感器15和载物台8，由压电叠堆c20带动柔性铰链c14做上下运动，进而带动载物台8实现上下运动；水平方向上，其运动方式主要基于寄生运动的原理，动子10安装在导轨滑块a9上，对称安装的柔性铰链b13固定在尾座11上，两个柔性铰链b13内部都安装有压电叠堆b12，动子10两侧薄片状结构与两个柔性铰链b13输出端通过间隙配合实现连接，通过控制施加给压电叠堆b12的电压，使两个柔性铰链b13配合运动，实现动子10做水平方向上前进或者后退运动，从而带动载物台8在水平方向上移动，这种基于寄生运动的结构可以实现大行程、精密运动，而且结构紧凑、控制简单。另外，由于载物台8直接和精密力传感器15相连，因此在实施原位力学测试的过程中，通过精密力传感器15就可以检测出作用力的大小。

在进行材料的原位压痕、划痕测试时，首先将被测试件通过导电胶安装在载物台8上，将一体机通过螺钉安装在扫描电子显微镜的样品台上，通过调整样品台控制旋钮调整扫描电镜成像点的位置，使金刚石压头7处于视场中心，之后进行金刚石压头7的粗调整，并随时根据金刚石压头7在视场中的位置对扫描电子显微镜样品控制台进行操作，使金刚石压头7始终处于视场中心区域。在粗调整过程中，利用扫描电子显微镜高倍率成像观察金刚石压头7与被测试件之间的距离，当二者间距在1微米左右时停止粗调整，改换金刚石压头7的精密调整。利用压电叠堆a6完成金刚石压头7对试件表面的压入压出过程，与此同时，利用精密位移传感器4和精密力传感器15实现对压入深度与压入载荷的同步测量，结合扫描电子显微镜的成像完成对被测试件原位压痕过程的动态监测。当金刚石压头7压入试件一定深度或者载荷并通过反馈控制保持这一深度或者载荷时，利用载物台8的竖直运动或水平运动可以实现试件在恒压入深度或者恒压入载荷作用下的精密小行程原位划痕测试或者大行程原位划痕测试。这样就实现了被测试件的原位压痕测试和原位划痕测试。

当进行完试件的原位压痕测试后，利用得到的压入载荷-深度关系曲线以及与之对应的压痕过程动态图像分析得到材料的力学性能参数和变形损伤机理，据此优化材料的刻划加工工艺，选取合适的刻划速度、刻划深度等参数，之后利用优化的刻划工艺参数开展材料的原位刻划加工即可实现原位测试加工一体化。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种原位微纳米力学测试及刻划加工一体机，其特征在于：金刚石压头(7)紧固在柔性铰链a(5)前端，柔性铰链a(5)安装在过渡块(16)上，精密位移传感器(4)安装在柔性铰链a(5)上，压电叠堆a(6)安装在柔性铰链a(5)内部凹槽中，通过压电叠堆a(6)驱动柔性铰链a(5)，进而带动金刚石压头(7)实现精密进给，过渡块(16)固定安装在连接件a(17)上，连接件a(17)与精密导轨滑块b(18)连接，丝杠螺母(3)与连接件a(17)连接，步进电机(1)和精密导轨滑块(18)分别安装在基座(19)上，通过步进电机(1)带动丝杠螺母(3)，驱动连接件(17)实现粗进给；载物台(8)安装在精密力传感器(15)上，精密力传感器(15)固定在柔性铰链c(14)上，柔性铰链c(14)与动子(10)连接，动子(10)两侧薄片状结构与两个柔性铰链b(13)输出端通过间隙配合实现连接，动子(10)与精密导轨滑块a(9)连接，两个对称的柔性铰链b(13)和精密导轨滑块a(9)分别安装在尾座(11)上，尾座(11)固定安装在基座(19)上。

2.根据权利要求1所述的原位微纳米力学测试及刻划加工一体机，其特征在于：所述的柔性铰链c(14)为平行四边形放大结构，其凹槽内部安装有压电叠堆c(20)，可以精密调整载物台(8)和精密力传感器(15)在竖直方向上的位置。

3.根据权利要求1或2所述的原位微纳米力学测试及刻划加工一体机，其特征在于：所述的原位微纳米力学测试及刻划加工一体机的总体尺寸为167 mm×130 mm×53 mm。

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