CN102928307A - 原位压/划痕测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种原位压/划痕测试装置，属于机电一体化精密科学仪器领域。包括X、Y方向精密定位平台、Z方向精密线性定位平台、精密压入驱动单元、载荷信号检测和位移信号检测单元，其中，所述X、Y方向精密定位平台通过连接板Ⅱ固定在底座上，载物台通过X、Y向压电叠堆与X、Y方向精密定位平台连接；Z方向精密线性定位平台装配在底座上；精密压入驱动单元的步进电机、导轨分别固定在底座上；载荷信号检测和位移信号检测单元固定在底座上。优点在于：体积小、结构紧凑、质量轻、刚性好、定位精度高。可以实现特征尺寸毫米级以上三维试件的力学性能测试，位移加载分辨率达到纳米级，加载力分辨率达到微牛级。

Description

原位压/划痕测试装置

技术领域

本发明涉及机电一体化精密科学仪器领域，特别涉及一种集驱动、加载、检测为一体的原位压/划痕测试装置。

背景技术

近年来，随着工业的现代化、规模化、产业化，以及高新技术和国防技术的发展，对各种材料表面性能的要求越来越高。20世纪80年代，现代表面技术被国际科技界誉为最具发展前途的十大技术之一，世界各国都非常重视材料的纳米级表层的物理、化学、机械性能及其检测方法的研究。目前，薄膜的厚度己经达到了微米级，甚至于纳米级的层次，传统的材料力学性能测试方法显然己经无法解决该层次内的力学性能，故微纳米技术应运而生。

微纳米技术（MEMS,nano technology）为微机电系统(MEMS)技术和纳米科学技术（nano science and technology, nano ST）的简称，是20世纪80年代末在美国、日本等发达国家兴起的高新科学技术。由于其巨大的应用前景，因此自问世以来微纳米技术受到了各国政府和学者的普遍重视，是当前科技界的热门研究领域之一。其主要包括纳米压痕（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。

其中的纳米压痕、划痕试验方法是一种在传统的布氏和维氏硬度试验基础上发展起来的新的力学性能试验方法。它通过连续控制样品上压头加载和卸载过程并记录载荷和位移数据，通过对这些数据进行分析从而得出材料的力学性能指标。该测试方法优点在于可以从载荷—位移曲线中直接测出材料的力学性能而不需要测量压痕的面积。故即便深度在纳米范围，只要载荷和深度位移的测量精度足够高也可以得到材料的力学性能。近年来，利用连续载荷和深度方法来确定硬度和模量的压入技术迅速发展，尤其是纳米压痕测试技术和纳米划痕测试技术的日趋成熟，基于该技术而发展起来的纳米压痕/划痕测试仪器，逐渐成为了微/纳米尺度材料和结构的力学行为测试中的标准设备。

按照是否可进行实时在线连续监测与分析，微纳米级材料力学性能的测试技术又可分为原位（In situ）测试和非原位（Ex situ）测试。目前的微纳米及材料力学性能测试多停留在非原位阶段，无法在电子扫描显微镜和透射电子显微镜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。

目前，英国、美国、瑞士、俄罗斯等国的纳米压痕、划痕技术日益成熟，并实现了于纳米压痕/划痕测试装置的商业化。而我国缺少核心技术仅处于起步阶段，而且对于纳米压痕、划痕测试装置的开发研究少之又少。很多领域的发展都受到了严重的限制，阻碍了我国在相关领域内的发展。因此，有必要研究与开发拥有原位测试功能的纳米压痕、划痕测试装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种原位压/划痕测试装置，解决了现有技术存在的上述问题。本发明是一种结构小巧、定位精确可用于原位测试的铝质纳米压痕、划痕测试装置，使在电子显微镜下直接进行原位监测并研究变形、损伤状况与载荷作用和材料性能参数间的相关性规律成为可能。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

原位压/划痕测试装置，包括X、Y方向精密定位平台、Z方向精密线性定位平台、精密压入驱动单元、载荷信号检测和位移信号检测单元，其中，所述X、Y方向精密定位平台通过连接板Ⅱ3固定在底座13上，载物台5通过X、Y向压电叠堆17、14与X、Y方向精密定位平台连接；Z方向精密线性定位平台由Z向压电叠堆12和Z向柔性铰链9构成并装配在底座13上；精密压入驱动单元由步进电机1、连接板Ⅰ2及导轨16组成，所述步进电机1、导轨16分别固定在底座13上；载荷信号检测和位移信号检测单元的八片电阻应变片Ⅰ~Ⅷ7a、7b、8a、8b、10a、10b、11a、11b分别固定在Z向柔性铰链9上，所述载荷信号检测和位移信号检测单元通过Z向柔性铰链9固定在底座13上。

所述的X、Y方向精密定位平台由X、Y向压电叠堆17、14以及X、Y向柔性铰链18、15组成，所述X向压电叠堆17嵌入X向柔性铰链18构成X向驱动铰链，Y向压电叠堆14嵌入Y向柔性铰链15构成Y向驱动铰链，Y向驱动铰链通过螺钉固定在X向驱动铰链之上，X向驱动铰链并通过连接板Ⅱ2固定在底座13上；X、Y向压电叠堆17、14驱动载物台5，从而实现X、Y方向的精密定位和划痕测试中的划入。

所述的Z方向精密线性定位平台由Z向压电叠堆12和Z向柔性铰链9构成Z向驱动铰链，并通过螺钉连接装配在底座13上；金刚石压头6通过锁紧螺钉与Z向柔性铰链9固定连接，从而实现Z方向的精密压入，其压入量经由电阻应变片检测系统测量并作为反馈信号实现位移闭环控制，最终实现Z向精密定位。

所述的精密压入驱动单元由步进电机1、连接板Ⅰ2、导轨16组成，所述步进电机1、导轨16分别固定在底座13上，所述步进电机1输出轴为螺杆，与嵌入在连接板Ⅰ2的螺母4配合，从而输出直线位移。步进电机直接驱动连接板Ⅰ2、连接板Ⅱ3使其沿导轨16方向进给，从而使其固连在其上的X、Y方向精密定位平台及载物台5实现Z方向的直线精密进给。

所述的载荷信号检测和位移信号检测单元由八片电阻应变片及Z向柔性铰链9构成，其中电阻应变片Ⅰ~Ⅳ7a、7b、8a、8b实现载荷力的测量，即

，其中ε为电阻应变片的线应变；电阻应变片Ⅰ~Ⅷ7a、7b、8a、8b、10a、10b、11a、11b组合可以测出压入深度，即 $U_{\mathrm{deepth}}=\frac{\mathrm{EK}}{4}[({\mathrm{\ϵ}}_{7a}-{\mathrm{\ϵ}}_{7b}+{\mathrm{\ϵ}}_{8a}-{\mathrm{\ϵ}}_{8b})-({\mathrm{\ϵ}}_{10a}-{\mathrm{\ϵ}}_{10b}+{\mathrm{\ϵ}}_{11a}-{\mathrm{\ϵ}}_{11b})]$ 。

所述的原位压/划痕测试装置所用材质为铝合金，可在扫描电子显微镜腔体内使用，进而实现纳米压痕/划痕的原位观测。

本发明的有益效果在于：体积小、结构紧凑、质量轻、刚性好、定位精度高。可以实现特征尺寸毫米级以上三维试件的力学性能测试，位移加载分辨率达到纳米级，加载力分辨率达到微牛级。由于所述装置材质为铝合金，故可配合扫描电子显微镜使用，实现对压入及刻划过程中材料的变形过程和损伤机理的原位观测，从而更加直观的了解材料的微纳米力学性能。本发明对材料科学、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。由于本装置采用了步进电机与压电叠堆两种不同精度的驱动器，使定位迅速且定位精度高。电阻应变片测量位移与载荷使本装置结构更加紧凑，小巧。另外本发明装置通体材质为铝合金，配合扫描电子显微镜使用可实现对压入及刻划过程中材料的变形过程和损伤机理的原位观测，从而更加直观的了解材料的微纳米力学性能。

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为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的X、Y方向精密定位平台的结构示意图；

图3为本发明的俯视示意图。

图中：1.步进电机，2.连接板Ⅰ，3.连接板Ⅱ，4.螺母，5.载物台，6.金刚石压头，7a. 电阻应变片Ⅰ，7b. 电阻应变片Ⅱ，8a. 电阻应变片Ⅲ，8b. 电阻应变片Ⅳ，9.Z向柔性铰链，10a. 电阻应变片Ⅴ，10b. 电阻应变片Ⅵ，11a. 电阻应变片Ⅶ，11b.电阻应变片Ⅷ，12.Z向压电叠堆，13.底座，14.Y向压电叠堆，15.Y向柔性铰链，16.导轨，17.X向压电叠堆，18.X向柔性铰链。

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，本发明的原位压/划痕测试装置，包括X、Y方向精密定位平台、Z方向精密线性定位平台、精密压入驱动单元、载荷信号检测和位移信号检测单元，其中，所述X、Y方向精密定位平台通过连接板Ⅱ3固定在底座13上，载物台5通过X、Y向压电叠堆17、14与X、Y方向精密定位平台连接，载物台5由X、Y方向精密定位平台上的X、Y向压电叠堆17、14直接驱动，实现X、Y方向的精密移动。金刚石压头6通过锁紧螺钉与Z向柔性铰链9固定连接，从而实现Z方向的精密压入；Z方向精密线性定位平台由Z向压电叠堆12和Z向柔性铰链9构成并装配在底座13上；精密压入驱动单元由步进电机1、连接板Ⅰ2及导轨16组成，所述步进电机1、导轨16分别固定在底座13上；载荷信号检测和位移信号检测单元的八片电阻应变片Ⅰ~Ⅷ7a、7b、8a、8b、10a、10b、11a、11b分别固定在Z向柔性铰链9上，所述载荷信号检测和位移信号检测单元通过Z向柔性铰链9及螺钉固定在底座13上。

参见图2，所述的X、Y方向精密定位平台由X、Y向压电叠堆17、14以及X、Y向柔性铰链18、15组成，所述X向压电叠堆17嵌入X向柔性铰链18构成X向驱动铰链，Y向压电叠堆14嵌入Y向柔性铰链15构成Y向驱动铰链，Y向驱动铰链通过螺钉固定在X向驱动铰链之上，X向驱动铰链并通过连接板Ⅱ2固定在底座13上；X、Y向压电叠堆17、14驱动载物台5，从而实现X、Y方向的精密定位和划痕测试中的划入。

参见图3，所述的Z方向精密线性定位平台由Z向压电叠堆12和Z向柔性铰链9构成Z向驱动铰链，并通过螺钉连接装配在底座13上；金刚石压头6通过锁紧螺钉与Z向柔性铰链9固定连接，从而实现Z方向的精密压入，其压入量经由电阻应变片检测系统测量并作为反馈信号实现位移闭环控制，最终实现Z向精密定位。八片电阻应变片分别粘贴于Z向柔性铰链9易变形部位，如图3所示部位，其中电阻应变片Ⅰ~Ⅳ7a、7b、8a、8b构成的电子应变片组Ⅰ实现载荷力的测量，即

，其中ε为电阻应变片的线应变；电阻应变片Ⅴ~Ⅷ10a、10b、11a、11b构成电子应变片组Ⅱ，电阻应变片组Ⅰ和电阻应变片组Ⅱ组合可以测出压入深度，即 $U_{\mathrm{deepth}}=\frac{\mathrm{EK}}{4}[({\mathrm{\ϵ}}_{7a}-{\mathrm{\ϵ}}_{7b}+{\mathrm{\ϵ}}_{8a}-{\mathrm{\ϵ}}_{8b})-({\mathrm{\ϵ}}_{10a}-{\mathrm{\ϵ}}_{10b}+{\mathrm{\ϵ}}_{11a}-{\mathrm{\ϵ}}_{11b})]$ 。

参见图1、图3，所述的精密压入驱动单元由步进电机1、连接板Ⅰ2、导轨16组成，所述步进电机1、导轨16分别固定在底座13上，所述步进电机1输出轴为螺杆，与嵌入在连接板Ⅰ2的螺母4配合，从而输出直线位移。步进电机直接驱动连接板Ⅰ2、连接板Ⅱ3使其沿导轨16方向进给，从而使其固连在其上的X、Y方向精密定位平台及载物台5实现Z方向的直线精密进给。

本发明的原位压/划痕测试装置所用材质为铝合金，可在扫描电子显微镜腔体内使用，进而实现纳米压痕/划痕的原位观测。

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 (6)

1.一种原位压/划痕测试装置，其特征在于：包括X、Y方向精密定位平台、Z方向精密线性定位平台、精密压入驱动单元、载荷信号检测和位移信号检测单元，其中，所述X、Y方向精密定位平台通过连接板Ⅱ（3）固定在底座（13）上，载物台（5）通过X、Y向压电叠堆（17）、（14）与X、Y方向精密定位平台连接；Z方向精密线性定位平台由Z向压电叠堆（12）和Z向柔性铰链（9）构成并装配在底座（13）上；精密压入驱动单元由步进电机（1）、连接板Ⅰ（2）及导轨（16）组成，所述步进电机（1）、导轨（16）分别固定在底座（13）上；载荷信号检测和位移信号检测单元的八片电阻应变片分别固定在Z向柔性铰链（9）上，所述载荷信号检测和位移信号检测单元通过Z向柔性铰链（9）固定在底座（13）上。

2.根据权利要求1所述的原位压/划痕测试装置，其特征在于：所述的X、Y方向精密定位平台由X、Y向压电叠堆（17）、（14）以及X、Y向柔性铰链（18）、（15）组成，所述X向压电叠堆（17）嵌入X向柔性铰链（18）构成X向驱动铰链，Y向压电叠堆（14）嵌入Y向柔性铰链（15）构成Y向驱动铰链，Y向驱动铰链通过螺钉固定在X向驱动铰链之上，X向驱动铰链并通过连接板Ⅱ（2）固定在底座（13）上；X、Y向压电叠堆（17）、（14）驱动载物台（5），从而实现X、Y方向的精密定位。

3.根据权利要求1所述的原位压/划痕测试装置，其特征在于：所述的Z方向精密线性定位平台由Z向压电叠堆（12）和Z向柔性铰链（9）构成Z向驱动铰链，并通过螺钉连接装配在底座（13）上；金刚石压头（6）通过锁紧螺钉与Z向柔性铰链（9）固定连接，从而实现Z方向的精密压入，其压入量经由电阻应变片检测系统测量并作为反馈信号实现位移闭环控制，最终实现Z向精密定位。

4.根据权利要求1所述的原位压/划痕测试装置，其特征在于：所述的精密压入驱动单元由步进电机（1）、连接板Ⅰ（2）、导轨（16）组成，所述步进电机（1）、导轨（16）分别固定在底座（13）上，所述步进电机（1）输出轴为螺杆，与嵌入在连接板Ⅰ（2）的螺母（4）配合，从而输出直线位移。

5.根据权利要求1所述的原位压/划痕测试装置，其特征在于：所述的载荷信号检测和位移信号检测单元由八片电阻应变片及Z向柔性铰链（9）构成，其中电阻应变片Ⅰ~Ⅳ（7a、7b、8a、8b）实现载荷力的测量，即

（其中ε为电阻应变片的线应变）；电阻应变片Ⅰ~Ⅷ（7a、7b、8a、8b、10a、10b、11a、11b）组合可以测出压入深度，即 $U_{\mathrm{deepth}}=\frac{\mathrm{EK}}{4}[({\mathrm{\ϵ}}_{7a}-{\mathrm{\ϵ}}_{7b}+{\mathrm{\ϵ}}_{8a}-{\mathrm{\ϵ}}_{8b})-({\mathrm{\ϵ}}_{10a}-{\mathrm{\ϵ}}_{10b}+{\mathrm{\ϵ}}_{11a}-{\mathrm{\ϵ}}_{11b})]$ 。

6.根据权利要求1所述的原位压/划痕测试装置，其特征在于：所述的原位压/划痕测试装置所用材质为铝合金，可在扫描电子显微镜腔体内使用，进而实现纳米压痕/划痕的原位观测。

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