CN107966377A - 基于仿生压电驱动原位纳米压痕/刻划测试装置 - Google Patents
基于仿生压电驱动原位纳米压痕/刻划测试装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于仿生压电驱动原位纳米压痕/刻划测试装置，属于机电一体化精密仪器领域。由精密驱动单元、信号检测及控制单元、装夹单元、连接单元及支撑单元组成，所述精密驱动单元由两组仿生压电驱动机构提供动力，信号检测及控制单元由精密光栅尺、精密压力传感器组成，装夹单元、连接单元及支撑单元包括放置被测试件的载物台、65Mn钢制压电驱动机构轨道和基座等。优点在于：驱动单元设计巧妙，装置结构紧凑，可与扫描电子显微镜等兼容，在其原位监测下进行包括原位纳米压痕、原位刻划在内的两种力学测试试验，为揭示材料在微纳米尺度下的力学特性和损伤机制提供了有效手段。
Description
技术领域
本发明涉及机电一体化精密仪器领域，特别涉及一种微纳米级的高精度力学性能测试平台，特指一种基于仿生压电驱动原位纳米压痕/刻划测试装置，可在扫描电子显微镜下对被测试件进行微纳米压痕/刻划力学性能测试。该装置结合了压电驱动技术及原位压痕/刻划测试技术，巧妙的结构设计使整个装置体积小巧，外围规整，可在扫描电子显微镜SEM的动态实时监测下进行原位测试，可以实现对载荷/位移信号的精密采集与控制，可对材料的微观变形、损伤和破坏过程进行在线观测，为揭示材料在微纳米尺度下的力学特性和损伤机制提供测试方法。
背景技术
原位纳米压痕/刻划测试(In-situnanoindentation/nanoscratching test)技术是指在纳米尺度范围内对试件材料在进行压痕/刻划测试过程中，利用高分辨率成像组件对载荷作用下材料所发生的微观变形和损伤过程进行在线全程动态监测的一种技术。通过原位监测，可以将材料试件所受的载荷与材料变形损伤状况结合起来，如镀膜剥离现象、裂纹形成与扩展、剪切带形成等都与材料所受的载荷密切有关。该技术的出现使得研究各类材料的微观力学行为、损伤机制及载荷作用与材料性能间的相关性规律成为可能，在多学科交叉领域彰显重要的科学意义和广泛的应用前景。
目前纳米压痕/刻划技术已经比较成熟，Hysitron、MTS和MicroMaterials等国外公司都已有商业化产品。我国暂时还不具备原位纳米压痕/刻划测试技术的自主知识产权，国内尚无商业化原位纳米压痕/刻划测试仪器，所用仪器严重依赖国外进口，使得我国相关领域的研究一直滞后。且现有的压痕测试与刻划测试需要分别借助商业化的纳米压痕仪和纳米刻划仪分别进行，两种方法均存在设备费用昂贵，测试方法单一，测试内容乏善可陈的问题。因此研发具有完全自主知识产权的原位纳米压痕/刻划测试装置刻不容缓，对材料相关领域的研究具有重大的理论意义和实际应用价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于仿生压电驱动原位纳米压痕/刻划测试装置，解决了现有技术存在的上述问题。本发明是一种可在扫描电子显微镜高分辨率可视化动态监测下实现被测试件力学性能参数测试和变形损伤情况监测的原位压痕/刻划测试平台。本发明与传统测试方法以及纳米压痕仪和纳米刻划仪的主要区别在于，结构设计巧妙，集成压痕测试、刻划测试、原位测试手段于一体，可提供的测试内容丰富，测试仪刚度高，测试试精度高特点，可通过原位纳米压痕/刻划测试获得材料的强度和弹性模量以及材料的耐磨、抗划、粘附性等性能参数，揭示材料在纳米尺度下的力学特性，变形规律和损伤机制。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
基于仿生压电驱动原位纳米压痕/刻划测试装置，包括精密驱动单元、信号检测及控制单元、装夹单元、连接单元及支撑单元，精密驱动单元和信号检测及控制单元通过装夹单元和连接单元安装在支撑单元上。所述精密驱动单元是：压电叠堆A、B、C18、19、20通过作用于竖直柔性铰链29驱动竖直方向动子3，压电叠堆D~I21~26通过作用于水平柔性铰链28驱动水平方向动子8，其中，竖直方向动子3与连接板4刚性连接，并与竖直方向定子2间隙配合实现竖直方向上的直线驱动，完成金刚石压头11对被测试件27的压入压出操作，将压电叠堆A18和压电叠堆C20的驱动电源相互对换即可实现压入压出操作的相互转化；水平方向动子8与水平方向定子7所组成的轨道呈间隙配合，实现水平方向上的直线驱动，进而完成被测试件的进给与退出操作，将压电叠堆E、F22、23和压电叠堆D、G21、24的驱动电源相互对换即可实现水平方向上被测试件的进给与退出操作的相互转化；通过调整驱动电压大小即可实现驱动部分的粗调与微调的转换；连接板4通过压紧螺母与金刚石压头11刚性连接；静止平衡螺母12保证装置在非工作状态的时候竖直方向动子3不下落。
所述的信号检测及控制单元由光栅尺尺片13、光栅尺读数头14和压力传感器5构成，所述光栅尺尺片13通过螺钉与连接板4刚性连接；光栅尺读数头14通过螺钉与光栅尺支架15连接，工作过程中光栅尺读数头14保持静止，光栅尺尺片13随着竖直方向动子3做竖直直线运动，由于光栅尺尺片13的相对运动，光栅尺读数头14可以读取竖直运动位移信号；压力传感器5下端通过连接孔6与水平方向动子8螺纹连接，上端与载物台10螺纹连接，通过压力传感器获得被测试件所承载的力学载荷信号；从而获取压痕/刻划深度与所受压痕/刻划力及其相互之间的对应关系，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。
所述的装夹单元、连接单元及支撑单元是：竖直方向定子2与上边框17刚性连接，竖直方向定子2作为竖直方向动子3的运动轨道；光栅尺支架15与上边框17固定连接，并通过调整光栅尺支架15的位置改变光栅尺尺片13与光栅尺读数头14之间的距离；水平方向定子7与下边框9刚性连接，水平方向定子7作为水平方向动子8的运动轨道；左边框1、右边框16、上边框17、下边框9通过螺钉刚性连接成一长方形框架，对整个装置起支撑作用。
本发明的有益效果在于：与现有技术相比，本发明测试精度高，操作方便，可提供的测试内容丰富、变形/位移/载荷/速率可控。装置结构设计巧妙紧凑，体积小巧，外围规整，可安装于扫描电镜真空腔内的载物台上，对各种材料的宏观试件进行跨尺度原位力学测试，高分辨率动态监测被测试件在压痕/刻划载荷作用下的微观变形和损伤状态，从而揭示材料在微纳米尺度下的力学行为和损伤机制。同时，通过载荷/位移信号的同步检测，结合相关算法，亦可自动拟合生成载荷作用下的应力应变曲线，获取材料的强度和弹性模量以及材料的耐磨、抗划、粘附性等力学性能参数。综上所述，本发明对丰富原位纳米力学测试内容和促进材料力学性能测试技术及装备具有重要的理论意义和良好的应用开发前途。
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为本发明的水平动子和定子结构示意图；
图3为本发明的竖直动子结构示意图；
图4为本发明的竖直动子和定子装配结构示意图；
图5为本发明的竖直动子剖视示意图。
图中：1、左边框；2、竖直方向定子；3、竖直方向动子；4、连接板；5、压力传感器；6、连接孔；7、水平方向定子；8、水平方向动子；9、下边框；10、载物台；11、金刚石压头；12、静止平衡螺母；13、光栅尺尺片；14、光栅尺读数头；15、光栅尺支架；16、右边框；17、上边框；18、压电叠堆A；19、压电叠堆B；20、压电叠堆C；21、压电叠堆D；22、压电叠堆E；23、压电叠堆F；24、压电叠堆G、25、压电叠堆H；26、压电叠堆I； 27、被测试件；28、水平柔性铰链；29、竖直柔性铰链。
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到图5所示，本发明的基于仿生压电驱动原位纳米压痕/刻划测试装置，包括精密驱动单元、信号检测及控制单元、装夹单元、连接单元及支撑单元，精密驱动单元和信号检测及控制单元通过装夹单元和连接单元安装在支撑单元上。所述精密驱动单元是：压电叠堆A、B、C18、19、20通过作用于竖直柔性铰链29驱动竖直方向动子3，压电叠堆D~I21~26通过作用于水平柔性铰链28驱动水平方向动子8，其中，竖直方向动子3与连接板4刚性连接，并与竖直方向定子2间隙配合实现竖直方向上的直线驱动，完成金刚石压头11对被测试件27的压入压出操作，将压电叠堆A18和压电叠堆C20的驱动电源相互对换即可实现压入压出操作的相互转化；水平方向动子8与水平方向定子7所组成的轨道呈间隙配合，实现水平方向上的直线驱动，进而完成被测试件的进给与退出操作，将压电叠堆E、F22、23和压电叠堆D、G21、24的驱动电源相互对换即可实现水平方向上被测试件的进给与退出操作的相互转化；通过调整驱动电压大小即可实现驱动部分的粗调与微调的转换；连接板4通过压紧螺母与金刚石压头11刚性连接；静止平衡螺母12保证装置在非工作状态的时候竖直方向动子3不下落。
所述的信号检测及控制单元由光栅尺尺片13、光栅尺读数头14和压力传感器5构成，所述光栅尺尺片13通过螺钉与连接板4刚性连接；光栅尺读数头14通过螺钉与光栅尺支架15连接，工作过程中光栅尺读数头14保持静止，光栅尺尺片13随着竖直方向动子3做竖直直线运动，由于光栅尺尺片13的相对运动，光栅尺读数头14可以读取竖直运动位移信号；压力传感器5下端通过连接孔6与水平方向动子8螺纹连接，上端与载物台10螺纹连接，通过压力传感器获得被测试件所承载的力学载荷信号；从而获取压痕/刻划深度与所受压痕/刻划力及其相互之间的对应关系，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。另外采用高分辨率的数据采集卡将获得的载荷与位移信号送到计算机中，整个装置的测试过程在扫描电镜环境下完成，可以实现在线监测材料损伤机制。
所述的装夹单元、连接单元及支撑单元是：竖直方向定子2与上边框17刚性连接，竖直方向定子2作为竖直方向动子3的运动轨道；光栅尺支架15与上边框17固定连接，并通过调整光栅尺支架15的位置改变光栅尺尺片13与光栅尺读数头14之间的距离；水平方向定子7与下边框9刚性连接，水平方向定子7作为水平方向动子8的运动轨道；左边框1、右边框16、上边框17、下边框9通过螺钉刚性连接成一长方形框架，对整个装置起支撑作用。
参见图1至图5所示，本发明的基于仿生压电驱动原位纳米压痕/刻划测试装置，是根据蔡司 EVO 18 型扫描电镜设计的，该装置主体部分的整体尺寸为116mm×83mm×44mm，可安装在各种主流扫描电子显微镜和其他显微成像系统的腔体内部。该装置根据成像系统要求采用HPV系列C型压电陶瓷驱动电源，根据信号发生器传递的信号来调控驱动单元的的运动情况。该装置被测标准试件为非晶合金以及硅、锗、砷化镓等半导体材料。光栅尺尺片13、光栅尺读数头14构成的精密位移传感器和高精度的压力传感器5（型号为Model 31Low）用以同步检测压痕/刻划测试过程中的位移/载荷信号。结构由精密驱动单元、信号检测及控制单元、装夹单元、连接单元及支撑单元组成，所述精密驱动单元由两组仿生压电驱动机构提供动力，信号检测及控制单元由精密光栅尺、精密压力传感器组成，装夹单元、连接单元及支撑单元包括放置被测试件的载物台、65Mn钢制压电驱动机构轨道和基座等。驱动单元设计巧妙，装置结构紧凑，可与扫描电子显微镜等兼容，在其原位监测下进行包括原位纳米压痕、原位刻划在内的两种力学测试试验，为揭示材料在微纳米尺度下的力学特性和损伤机制提供了有效手段。
在具体的测试试验中，首先将被测材料标准试件27通过黏胶或石蜡粘贴在载物台10上，固定试件时要求保证试件测试表面与载物台表面相互平行，从而保证试件表面与金刚石压头的垂直度。测试时首先进行试件x、y水平方向位置粗调，对压电叠堆E、F22、23通电，由于逆压电效应，压电叠堆E、F22、23伸长嵌位，压电叠堆H、I25、26通电伸长，实现试件的水平位置移动，接下来压电叠堆D、G21、24通电伸长嵌位，然后压电叠堆E、F22，23断电复位，压电叠堆H、I25，26断电复位，以上实现一次水平方向步进，如此循环实现水平方向动子8的连续驱动。将被测试件通过水平方向动子8的驱动进给到竖直方向上压头的正下方位置，通过微调对准确定测试点位，然后进行竖直方向位置的粗调。首先对压电叠堆A18通电，使其伸长嵌位，松开静止平衡螺母12，压电叠堆B19通电伸长，压电叠堆C20通电伸长嵌位，然后对压电叠堆A、B断电复位，实现一次竖直方向直线步进，如此循环实现竖直方向动子3的连续驱动。当压头接近被测试件表面时，调整竖直方向为缓慢驱动，金刚石压头11压入被测试件27，进行压痕测试。在金刚石压头压入试件的同时，结合水平方向动子8在x、y方向上的水平运动，可以实现刻划测试。进行原位测试时，将本发明装置通过机械连接方式安装在扫描电镜真空腔内部的XOY精密移动台上。之后，将试件安装在载物台上，利用水平仪或千分表调整扫描电镜夹持机构以保证试件的准确位置。校准试件位置后，关闭扫描电镜真空腔密封舱门。打开扫描电镜电源，通过内置水平动子调整X、Y向位置同时通过竖直动子调整Z向位置，对试件进行成像高度和观测区域的调整。通过程序界面设定原位压痕/刻划测试的加载力或位移等参数，给定压痕/刻划测试的控制方式，以脉冲输出的方式驱动开始测试过程，即通过测试算法程序设定测试条件和参数，在时序脉冲控制信号作用下精密驱动器会产生位移变化，测试过程中压力传感器5对被测试件垂直载荷F进行检测，并通过算法程序作必要的修正处理；同时试件的变形量h由精密位移传感器同步拾取，两路信号通过数字采集卡采集并进行必要的信号调理后送入计算机。在测试的整个过程中，被测试件在载荷作用下材料的变形损伤情况由高放大倍率的扫描电子显微镜成像系统进行动态监测，并同时保存所捕获图像或录像，通过上位机调试软件亦可实时获取表征材料力学性能的应力-应变曲线、硬度、弹性模量以及材料的耐磨、抗划、粘附性等力学性能参数。
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 (3)
1.一种基于仿生压电驱动原位纳米压痕/刻划测试装置，其特征在于：包括精密驱动单元、信号检测及控制单元、装夹单元、连接单元及支撑单元，精密驱动单元、信号检测及控制单元通过装夹单元、连接单元安装在支撑单元上；
所述精密驱动单元是：压电叠堆A、B、C（18、19、20）通过竖直柔性铰链（29）驱动竖直方向动子（3），压电叠堆D~I（21~26）通过水平柔性铰链（28）驱动水平方向动子（8），其中，竖直方向动子（3）与连接板（4）刚性连接，并与竖直方向定子（2）间隙配合实现竖直方向上的直线驱动，完成金刚石压头（11）对被测试件（27）的压入压出操作，将压电叠堆A（18）和压电叠堆C（20）的驱动电源相互对换即可实现压入压出操作的相互转化；水平方向动子（8）与水平方向定子（7）所组成的轨道呈间隙配合，实现水平方向上的直线驱动，进而完成被测试件的进给与退出操作，将压电叠堆E、F（22、23）和压电叠堆D、G（21、24）的驱动电源相互对换即可实现水平方向上被测试件的进给与退出操作的相互转化；通过调整驱动电压大小即可实现驱动部分的粗调与微调的转换；连接板（4）通过压紧螺母与金刚石压头（11）刚性连接，静止平衡螺母（12）保证装置在非工作状态的时候竖直方向动子（3）不下落。
2.根据权利要求1所述的基于仿生压电驱动原位纳米压痕/刻划测试装置，其特征在于：所述的信号检测及控制单元由光栅尺尺片（13）、光栅尺读数头（14）和压力传感器（5）构成，所述光栅尺尺片（13）通过螺钉与连接板（4）刚性连接；光栅尺读数头（14）通过螺钉与光栅尺支架（15）连接，工作过程中光栅尺读数头（14）保持静止，光栅尺尺片（13）随着竖直方向动子（3）做竖直直线运动，由于光栅尺尺片（13）的相对运动，光栅尺读数头（14）可以读取竖直运动位移信号；压力传感器（5）下端通过连接孔（6）与水平方向动子（8）螺纹连接，上端与载物台（10）螺纹连接，通过压力传感器获得被测试件所承载的力学载荷信号；从而获取压痕/刻划深度与所受压痕/刻划力及其相互之间的对应关系，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。
3.根据权利要求1所述的基于仿生压电驱动原位纳米压痕/刻划测试装置，其特征在于：所述的装夹单元、连接单元及支撑单元是：竖直方向定子（2）与上边框（17）刚性连接，竖直方向定子（2）作为竖直方向动子（3）的运动轨道；光栅尺支架（15）与上边框（17）固定连接，并通过调整光栅尺支架（15）的位置改变光栅尺尺片（13）与光栅尺读数头（14）之间的距离；水平方向定子（7）与下边框（9）刚性连接，水平方向定子（7）作为水平方向动子（8）的运动轨道；左边框（1）、右边框（16）、上边框（17）、下边框（9）通过螺钉刚性连接成一长方形框架，对整个装置起支撑作用。
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