CN104297082A - 原位微纳米压痕/划痕测试仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种原位微纳米压痕/划痕测试仪，属于机电一体化精密科学仪器领域。伺服电机输出动力，通过涡轮蜗杆减速增扭后带动丝杠，由丝杠带动导轨滑块、连接板，实现柔性铰链、精密定位平台、载物台的横向运动，完成划痕实验，由精密运动平台带动连接板，从而带动安装在连接板上面的柔性铰链机构和载物台，实现载物台的粗进给；压电叠堆驱动柔性铰链实现载物台精密进给，完成压痕实验。激光位移传感器的精密定位由精密定位平台实现。压头的高度通过二维微位移平台调整。优点在于：结构新颖、紧凑，可靠性高、精度高。利用激光位移传感器进行位移的测量，具有量程宽、精度高、安装方便等特点，可以通过手动二维微位移平台进行调节，定位准确。

Description

原位微纳米压痕/划痕测试仪

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、精密加载、检测为一体的原位微纳米压痕/划痕测试仪，属于机电一体化的精密检测仪器。精密仪器是推动科技进步，社会发展的重要保证，在超精密加工、材料科学、半导体技术等领域具有较好的应用前景。

背景技术

材料微观力学性能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。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。绝大多数的材料微观力学性能测试停留在非原位测试技术上，原位测试技术成为国际上的一个研究热点。

非原位纳米压痕/划痕测试无法实时观测材料的损伤过程，相比之下，纳米压痕/划痕测试仪能够得到更多有关材料变形损伤的信息；但是原位纳米压痕/划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的兼容性。在国内，原位测试技术尚未成型，而且在高端科技和军事领域，国外对中国的技术封锁，超精密驱动和载荷力/位移精密检测技术发展非常慢，与国外发展相差甚远，这些原因都限制了我国原位纳米压痕/划痕测试技术的快速发展，阻碍了我国材料科学领域的发展。

总体来看，研究高精度、大测试范围、低成本的原位纳米压痕/划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压痕/划痕测试仪，解决了非原位压痕/划痕测试技术无法在线观测材料损伤过程，我国压痕/划痕测试技术非常落后的现状，严重阻碍我国材料领域发展等问题。针对技术上存在的问题，本发明提出了一种原位微纳米压痕/划痕测试仪，本发明包括具有粗进给和精进给的载物台；Z轴方向的宏动调整机构、用于检测金刚石压头压入深度的精密位移传感器以及用于检测金刚石压头压入材料内部压力的精密力学传感器。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

原位微纳米压痕/划痕测试仪，包括定位平台和驱动单元，具体是压电叠堆9安装在柔性铰链10内部凹槽中，通过压电叠堆9驱动柔性铰链10，进而带动载物台13实现精密进给完成压痕实验；柔性铰链10紧固在连接板a6上，所述连接板a6安装在精密定位平台a23上，通过手柄a7带动连接板a6从而实现载物台13的粗进给；激光位移传感器22安装在精密定位平台b20上，激光位移传感器22通过挡板5实现对载物台13的位移检测，精密定位平台b20紧固在底座18上，手柄b19、手柄c21带动精密定位平台b20实现激光位移传感器22的微调；精密定位平台a23安装在连接板b8上，伺服电机1驱动涡轮2带动蜗杆3，蜗杆3通过紧固螺钉4与丝杠12连接，丝杠12与连接板b8相连，伺服电机 1安装在底座18上，由伺服电机 1带动精密导轨滑块11进而带动连接板b8从而实现载物台13横向进给，完成划痕实验。

所述的底座18上固定安装二维微位移平台17，连接板c16紧固在二维微位移平台17上，精密力传感器15紧固在连接板c16上，精密力传感器15的前端安装金刚石压头14，通过二维微位移平台17调整金刚石压头14的高度。

所述的精密力传感器15为二维应变片式传感器，可以同时测量横向力和纵向力，由于二维力传感器和柔性铰链串联，因而其分辨力高，误差较小。

所述的原位微纳米压痕/划痕测试仪分别设计粗进给和精密进给机构，粗进给由伺服电机驱动，精密进给由压电叠堆驱动柔性铰链进行。

所述的原位微纳米压痕/划痕测试仪的总体尺寸为178mm×165 mm×80mm。

所述的原位微纳米压痕/划痕测试仪置于扫描电子显微镜SEM、透射电子显微镜TEM下进行实时观测。

本发明的有益效果在于：其结构新颖，具有电机驱动的宏动运动能力，以及热门材料压电元件驱动的微驱动能力；体积小，总体尺寸为178mm×165 mm×80mm，结构非常紧凑，可集成在电子显微镜中实现材料压痕、划痕测试的可视化动态检测，使在线观测材料损伤过程成为了可能，而且对材料的研究起到重要的促进作用；利用激光位移传感器进行位移的测量，具有量程宽、精度高、安装方便等特点，可以通过手动二维微位移平台进行高度的调节，定位准确；可靠性高、精度高：测试过程中载荷分辨率达到微牛级，位移分辨路达到纳米级，精度极高。本发明对材料科学、超精密加工等领域都具有较好的应用领域。

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为本发明的右视结构示意图。

图中：1、伺服电机；2、涡轮；3、蜗杆；4、紧固螺钉；5、挡板；6、连接板a；7、手柄a；8、连接板b；9、压电叠堆；10、柔性铰链；11、精密导轨滑块；12、丝杠；13、载物台；14、金刚石压头；15、精密力传感器b；16、连接板c；17、二维微位移平台；18、底座；19、手柄b；20、精密定位平台b；21、手柄c；22、激光位移传感器；23、精密定位平台a。

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3所示，本发明的原位微纳米压痕/划痕测试仪，包括伺服电机1、涡轮2、蜗杆3、紧固螺钉4、挡板5、连接板a6、手柄a7、连接板b8、压电叠堆9、柔性铰链10、精密导轨滑块11、丝杠12、载物台13、金刚石压头14、精密力传感器b15、连接板c16、二维微位移平台17、底座18、手柄b19、精密定位平台b20、手柄c21、激光位移传感器22、精密定位平台a23，其中，压电叠堆9预紧螺钉安装在柔性铰链10内部凹槽中，通过压电叠堆9驱动柔性铰链10，进而带动载物台13实现精密进给，完成压痕实验，柔性铰链10通过螺钉紧固在连接板a6上，连接板a6通过螺钉安装在精密定位平台a23上，通过手柄a7带动连接板a6从而实现载物台13的粗进给，激光位移传感器22通过螺钉安装在精密定位平台b20上，激光位移传感器22通过挡板5实现对载物台13的位移检测，精密定位平台b20通过螺钉紧固底座18上，手柄b19、手柄c21带动精密定位平台b20实现激光位移传感器22的微调，精密定位平台a23通过螺钉安装在连接板b8上，伺服电机1通过螺钉连接驱动涡轮2从而带动蜗杆3，蜗杆3通过紧固螺钉4与丝杠12连接，丝杠12与连接板b8相连，伺服电机 1安装在底座18上，由伺服电机 1带动精密导轨滑块11进而带动连接板b8从而实现载物台13横向进给，完成划痕实验。

所述的原位微纳米压痕/划痕测试仪的金刚石压头14安装在精密力传感器15前端，精密力传感器15通过螺钉紧固在连接板c16上，连接板c16通过螺钉紧固在二维微位移平台17上，二维微位移平台17安装在底座18上，通过调整二维微位移平台17调整金刚石压头14的高度。

所述的原位微纳米压痕/划痕测试仪的精密力传感器15为应变片式传感器，其分辨力高，误差较小。

所述的原位微纳米压痕/划痕测试仪分别设计粗进给和精密进给机构。

所述的原位微纳米压痕/划痕测试仪的总体尺寸为178mm×165 mm×80mm。

所述的原位微纳米压痕/划痕测试仪可置于扫描电子显微镜SEM、透射电子显微镜TEM下进行实时观测。

参见图1至图3所示，本发明主要包含三个运动输出端，一是金刚石压头14，二是载物台13，三是激光位移传感器22。其中金刚石压头1安装在精密力传感器15前端，精密力传感器15通过螺钉紧固在连接板c16上，连接板c16紧固在二维微位移平台17上，二维微位移平台17安装在底座18上，通过二维微位移平台17调整金刚石压头14的高度。

载物台23的具体运动方式为：柔性铰链10通过螺钉紧固在连接板a6上，连接板a6通过螺钉安装在精密定位平台a23上，通过手柄a7带动连接板a6从而实现载物台13的粗进给，压电叠堆9安装在柔性铰链10内部凹槽中，通过压电叠堆9驱动柔性铰链10，进而带动载物台13实现精密进给，当电机通电时，伺服电机1通过螺钉连接驱动涡轮2从而带动蜗杆3，蜗杆3通过紧固螺钉4与丝杠12连接，丝杠12与连接板b8相连，由精密导轨滑块11滑动进而带动连接板b8，从而实现载物台13横向进给，完成划痕实验。

激光位移传感器22的具体运动方式为：激光位移传感器22通过螺钉安装在精密定位平台b20上，精密定位平台b20通过螺钉紧固底座18上，由旋转手柄b19、手柄c21带动精密定位平台b20实现激光位移传感器22的微调。

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。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种原位微纳米压痕/划痕测试仪，其特征在于：压电叠堆（9）安装在柔性铰链（10）内部凹槽中，通过压电叠堆（9）驱动柔性铰链（10），进而带动载物台（13）实现精密进给完成压痕实验；柔性铰链（10）紧固在连接板a（6）上，所述连接板a（6）安装在精密定位平台a（23）上，通过手柄a（7）带动连接板a（6）从而实现载物台（13）的粗进给；激光位移传感器（22）安装在精密定位平台b（20）上，激光位移传感器（22）通过挡板（5）实现对载物台（13）的位移检测，精密定位平台b（20）紧固在底座（18）上，手柄b（19）、手柄c（21）带动精密定位平台b（20）实现激光位移传感器（22）的微调；精密定位平台a（23）安装在连接板b（8）上，伺服电机（1）驱动涡轮（2）带动蜗杆（3），蜗杆（3）通过紧固螺钉（4）与丝杠（12）连接，丝杠（12）与连接板b（8）相连，伺服电机 （1）安装在底座（18）上，由伺服电机 （1）带动精密导轨滑块（11）进而带动连接板b（8）从而实现载物台（13）横向进给，完成划痕实验。

2.根据权利要求1所述的原位微纳米压痕/划痕测试仪，其特征在于：所述的底座（18）上固定安装二维微位移平台（17），连接板c（16）紧固在二维微位移平台（17）上，精密力传感器（15）紧固在连接板c（16）上，精密力传感器（15）的前端安装金刚石压头（14），通过二维微位移平台（17）调整金刚石压头（14）的高度。

3.根据权利要求2所述的原位微纳米压痕/划痕测试仪，其特征在于：所述的精密力传感器（15）为二维应变片式传感器，可以同时测量横向力和纵向力，二维力传感器和柔性铰链串联；所述的原位微纳米压痕/划痕测试仪分别设计粗进给和精密进给机构，粗进给由伺服电机驱动，精密进给由压电叠堆驱动柔性铰链进行。

4.根据权利要求1或2或3所述的原位微纳米压痕/划痕测试仪，其特征在于：所述的原位微纳米压痕/划痕测试仪的总体尺寸为178mm×165 mm×80mm。

5.根据权利要求1或2或3所述的原位微纳米压痕/划痕测试仪，其特征在于：所述的原位微纳米压痕/划痕测试仪置于扫描电子显微镜SEM、透射电子显微镜TEM下进行实时观测。