CN110320120B - 一种用于纳米压痕仪的纳米级测量加载单元及其测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于纳米压痕仪的纳米级测量加载单元，包括：柔性铰链；第一立柱和第二立柱，其设置在柔性铰链底面两侧；横梁，其轴向两侧分别与第一立柱和第二立柱固定连接；第一圆形通孔，其设置在横梁中心；滑块，其轴向固定设置在第一立柱的内侧面；导轨，其一侧设置有与滑块配合的凹槽，并与滑块可滑动连接；参考架，其短边外端设置有第二圆形通孔；压套，其同轴设置在所述第二圆形通孔下方；软压环，其为圆环形，且同轴固定设置在远离参考架的所述压套一端；读数头，其固定设置在参考架短边一侧上；压头，其一端与所述柔性铰链底面中心固定连接，另一端同轴伸入所述压套内。本发明公开一种用于纳米压痕仪的纳米级测量加载单元的测量方法。

Description

一种用于纳米压痕仪的纳米级测量加载单元及其测量方法
技术领域
本发明涉及纳米压痕仪技术领域，更具体的是，本发明涉及一种用于纳米压痕仪的纳米级测量加载单元及其测量方法。
背景技术
纳米压痕仪主要应用于大学、科研机构或者是质量检测机构等，主要用于薄膜材料力学性能的测试。由于拥有可以测量微小力的力传感器和高分辨率的位移传感器，纳米压痕仪可以用来测量几乎所有材料的表面特征,尤其是用于测量材料表面薄膜的硬度及弹性模量。
测量加载单元的压头从接触薄膜试样表面开始，按照试验前给定的力加载速率使力值的增加。随着力的增加，压头在材料中的深度逐渐增加。当压头达到预先设定的最大负载后,使压头从试样中退出。这时压头在试样中会留下一个残留的凹痕。凹痕的形状取决于压头的形状。测量加载单元在压头压入过程中可实时获取压入载荷与压入深度数据，实时绘制相应的载荷-深度关系曲线，通过力学模型建立与分析,可得到相应的材料的力学性能。
常规的压痕仪采用压头先接触试样表面后力传感器有力值了，这时才记录压入深度，或者对压入深度进行一个修正，然后记录压入深度，这种记录压入深度的方法无论如何都不准确。而且现有的纳米压痕仪使得薄膜表面压入载荷较大，一般在1牛以上，且压入深度较深，使得载荷的分辨率较低，位移分辨率也较低，使得薄膜材料硬度与弹性模量测量的精度降低。并且现有的纳米压痕仪只能使用一种压头，不能切换使用，导致测量繁琐，降低了测量效率。
发明内容
本发明的一个目的是设计开发了一种用于纳米压痕仪的纳米级测量加载单元，能够使得薄膜表面压入载荷小于500毫牛，薄膜表面压入深度小于200微米，提高了薄膜材料硬度与弹性模量的测量精度。
本发明的另一个目的是设计开发了一种用于纳米压痕仪的纳米级测量加载单元的测量方法，能够根据读数头数值确定样品表面压痕深度，并同时记录力传感器数据，无需修正，提高了薄膜材料硬度与弹性模量的测量精度。
本发明提供的技术方案为：
一种用于纳米压痕仪的纳米级测量加载单元，包括：
柔性铰链，其内部设置有压电陶瓷；
第一立柱和第二立柱，其垂直且对称设置在所述柔性铰链底面两侧；
横梁，其轴向两侧分别与所述第一立柱和第二立柱固定连接，并与所述柔性铰链、第一立柱和第二立柱围成闭合框架结构；
第一圆形通孔，其设置在所述横梁中心；
滑块，其轴向固定设置在所述第一立柱的内侧面；
导轨，其一侧设置有与所述滑块配合的凹槽，并与所述滑块可滑动连接；
参考架，其为L型，且长边一侧与所述导轨另一侧固定连接，短边一侧与所述柔性铰链底面平行，所述短边外端设置有第二圆形通孔；
压套，其为环柱形，且同轴设置在所述第二圆形通孔下方，并与所述参考架一体成型，所述压套同轴穿过所述第一圆形通孔；
软压环，其为圆环形，且同轴固定设置在远离所述参考架的所述压套一端；
读数头，其固定设置在所述参考架短边一侧上；
压头，其一端与所述柔性铰链底面中心固定连接，另一端同轴伸入所述压套内且没有伸出所述压套；
光栅尺，其一侧与所述压头的侧面固定连接，另一侧与所述读数头连接，能够与所述读数头发生相对运动；
其中，初始位置时，所述压头远离柔性铰链一端超过所述横梁位置。
优选的是，还包括：
固定座，其为L型，且短边一侧与所述参考架长边一侧固定连接，长边一侧与所述柔性铰链底面垂直，所述读数头固定在所述固定座长边一侧上；
力传感器，其一端与所述柔性铰链底面中心螺纹固定连接；
压头座，其一端与所述力传感器另一端螺纹固定连接，另一端与所述压头一端固定连接；
其中，所述光栅尺的一侧与所述压头座的侧面固定连接。
优选的是，还包括：
相互贴合的第一夹紧座和第二夹紧座；
半圆形凹槽，其分别设置在所述第一夹紧座和第二夹紧座的贴合面的一侧；并且位置对应形成通孔，用于容纳压头座，并通过螺栓夹紧；
其中，所述光栅尺的一侧与所述第一夹紧座一侧固定连接。
优选的是，还包括：
簧垫块，其固定设置在远离所述导轨的所述横梁一端；
压簧，其一端与所述簧垫块固定连接，另一端设置有第三圆形通孔，并空套在所述压头座上；
挡片，其固定套设在位于所述第三圆形通孔和所述第一夹紧座之间的压头座上，且所述挡片的外径大于所述第三圆形通孔的内径。
优选的是，还包括：
支撑板，其设置在所述固定座长边一侧上方且与所述固定座一体成型；
压线板，其通过螺栓夹紧读数头的导线并固定设置在所述支撑板上。
优选的是，还包括：
簧压片，其设置在所述簧垫块正上方的压簧上方，并通过螺栓将所述簧压片、压簧和簧垫块固定设置在所述横梁上。
优选的是，所述柔性铰链、第一立柱、第二立柱和横梁之间通过螺栓固定连接。
一种用于纳米压痕仪的纳米级测量加载单元的测量方法，包括：
将测试样品置于压套下方后对压电陶瓷通电，柔性铰链带动整体向样品方向运动，观察读数头数值确定样品表面压痕深度，同时记录力传感器数据；
其中，所述样品表面压痕深度满足：
d＝dr-d0；
式中，d为样品表面压痕深度，dr为读数头读数，d0为压头远离柔性铰链一端与软压环远离柔性铰链一端的距离。
本发明所述的有益效果：
(1)本发明设计开发了一种用于纳米压痕仪的纳米级测量加载单元，即为纳米压痕仪提供了一种纳米级测量加载单元。此单元采用压电陶瓷与柔性铰链驱动的结构，提高了进给的位移与力分辨率。此单元通过独立的力传感器，减少了力测量环节，增加了力测量精度。此单元通过采用相对计量压入深度的方法与结构，提高了压入深度测量精度，能够使得薄膜表面压入载荷小于500毫牛，薄膜表面压入深度小于200微米，且载荷分辨率小于0.02微牛，位移分辨率小于1纳米。综合以上优点，本纳米及测量加载单元，提高了测量薄膜硬度与弹性模量所需参数的精度，因此，使压痕仪可提高更准确的薄膜硬度与弹性模量计算结果。
(2)本发明设计开发了一种用于纳米压痕仪的纳米级测量加载单元的测量方法，能够根据读数头数值确定样品表面压痕深度，并同时记录力传感器数据，无需修正，提高了薄膜材料硬度与弹性模量的测量精度。
附图说明
图1为本发明所述用于纳米压痕仪的纳米级测量加载单元的结构示意图。
图2为本发明所述用于纳米压痕仪的纳米级测量加载单元的结构示意图。
图3为本发明所述用于纳米压痕仪的纳米级测量加载单元的结构示意图。
图4为本发明所述用于纳米压痕仪的纳米级测量加载单元的剖视结构示意图。
图5为本发明所述柔性铰链的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
本发明可以有许多不同的形式实施，而不应该理解为限于再次阐述的实施例，相反，提供这些实施例，使得本公开将是彻底和完整的。在附图中，为了清晰起见，会夸大结构和区域的尺寸和相对尺寸。
如图1-5所示，本发明提供一种用于纳米压痕仪的纳米级测量加载单元，包括：柔性铰链100，其内部设置有压电陶瓷110，采用了柔性铰链与压电陶瓷相结合的结构，当压电陶瓷获得高分辨率信号时，线性制动器可输出纳米级的位移。反应到压头就是可以施加纳米级位移及在试样表面产生毫牛级的力。
在柔性铰链100底面两侧对称且垂直设置有第一立柱120和第二立柱130，连接第一立柱120和第二立柱130设置有横梁140，其与柔性铰链100、第一立柱120和第二立柱130围成闭合框架结构；在横梁140中心位置设置有第一圆形通孔141。本实施例中，柔性铰链100、第一立柱120、第二立柱130和横梁140之间通过螺栓(螺钉)固定连接。
在第一立柱120的内侧面轴向固定设置有滑块151，与该滑块151配合设置有导轨150，即导轨150与滑块151相对侧面设置有凹槽，该滑块151可滑动设置在所述的凹槽内，使得滑块151能够沿导轨150轴向运动。
参考架160，其为L型，且长边一侧与导轨150另一侧(与滑块151相背一侧)固定连接，短边一侧与柔性铰链100底面平行，且短边外端设置有第二圆形通孔161；在第二圆形通孔161下方同轴设置有压套162，其为环柱形，并与参考架160一体成型，所述的压套162同轴穿过第一圆形通孔141，且能够沿第一圆形通孔141轴向自由运动，即相互之间不接触，没有摩擦。在远离参考架160的压套162一端同轴固定设置有软压环163，其为圆环形。
固定座170，其为L型，且短边一侧与参考架160长边一侧固定连接，长边一侧与柔性铰链100底面垂直，在固定座长边一侧上固定设置有读数头171，本实施例中，读数头为电子读数头，测量结构更加准确。在固定座170长边一侧一体成型设置有支撑板172，在支撑板172上通过螺钉固定设置有压线板173，该压线板173在固定的同时，通过该螺钉实现压线板173的压紧，用于固定电子读数头171的导线。
在横梁140、柔性铰链100、第一立柱120和第二立柱130围成的闭合框架内设置有力传感器180，其一端与柔性铰链100底面中心螺纹固定连接；柔性铰链100与力传感器180装配到一起时需要施加一定的扭矩，以消除柔性铰链100与力传感器180之间的间隙，本发明采用了高精度力传感器直连到柔性铰链下，相较于其它纳米压痕仪加载头，高精度力传感器可直接采集力信号，并且该力传感器可通过控制器与线性致动器形成闭环控制。
在所述的闭合框架内设置有压头座190，其一端与力传感器180另一端螺纹固定连接，压头座190与力传感器180之间同样需要压紧，以消除压头座190与力传感器180之间的间隙。压头座190另一端固定连接有压头191，所述的压头191同轴伸入压套162内且没有伸出压套162，并和压套162没有接触，不会产生其他的摩擦，当压头191磨损或需要其它类型的压痕可以更换其它的压头191，本测量加载单元可装载玻式、维式和洛氏高精度压头。在初始位置时，压头191远离柔性铰链100一端虽然设置在压套162内，但是相对于横梁140来说是超过横梁140的位置的，并且压头191远离柔性铰链100一端与软压环163远离柔性铰链100一端的距离很小，在0.5微米左右。
在压头座190两侧设置有夹紧装置，具体包括相互贴合的第一夹紧座192和第二夹紧座193，在第一夹紧座192和第二夹紧座193的贴合面的一侧分别设置有半圆形凹槽，并且位置对应形成通孔，用于容纳压头座190，第一夹紧座192和第二夹紧座193通过螺栓夹紧。
与第一夹紧座192一侧固定设置有光栅尺194，本实施例中，光栅尺194选用纳米级光栅尺，所述的光栅尺194还与读数头171连接，能够与读数头171发生相对运动，进而能够测量压头191的位置。
在远离导轨150的横梁140一端固定设置有簧垫块142，在簧垫块142上方设置有压簧143，压簧143的一端与簧垫块142固定连接，另一端设置有第三圆形通孔144，并空套在压头座190上；在位于第三圆形通孔144和第一夹紧座192之间的压头座190上固定套设有挡片195，且挡片195的外径大于第三圆形通孔144的内径，本实施例中，簧垫块142的厚度，根据具体要求设定，主要是起到调节压簧143压到压套162上的力大小的作用。本实施例中，在簧垫块142正上方的压簧143上方设置有簧压片145，通过螺钉将簧压片145、压簧143一端和簧垫块142固定设置在横梁140上。
工作原理：
将试样样品200间隔置于压套的正下方，对压电陶瓷进行通电，当压电陶瓷伸长时，柔性铰链同时伸长，使得压电陶瓷带动柔性铰链以及整体向试样样品方向运动。由于软压环、压套、固定座，读数头、支撑架和导轨为一个整体，当软压环接触试样品表面时，相当于光栅读数头与试样表面成为一体，记录此时光栅读数头的读数，此时软压环、压套、固定座，读数头、支撑架和导轨构成的整体不动，在滑块的作用下，柔性铰链、第一立柱和第二立柱围成的框架结构沿着导轨轴向靠近试样样品运动，即力传感器、压头座、压头、光栅尺固定座和光栅尺向靠近试样样品运动，使得光栅尺和读数头产生相对运动，读数头开始有数值变化。由于在测试之前，已经知道压头远离柔性铰链一端与软压环远离柔性铰链一端的距离，其为固定值，因此通过观察光栅尺读数头的数值，并与上述的固定值作差，即为样品表面的压痕深度，同时记录力传感器的数据即可知道产生此压痕深度所用的压入载荷。整个测试过程很简单，且不需要修正，测量结果很准确。
本发明设计开发的用于纳米压痕仪的纳米级测量加载单元，即为纳米压痕仪提供了一种纳米级测量加载单元。此单元采用压电陶瓷与柔性铰链驱动的结构，提高了进给的位移与力分辨率。此单元通过独立的力传感器，减少了力测量环节，增加了力测量精度。此单元通过采用相对计量压入深度的方法与结构，提高了压入深度测量精度，能够使得薄膜表面压入载荷小于500毫牛，薄膜表面压入深度小于200微米，且载荷分辨率小于0.02微牛，位移分辨率小于1纳米。综合以上优点，本纳米及测量加载单元，提高了测量薄膜硬度与弹性模量所需参数的精度，因此，使压痕仪可提高更准确的薄膜硬度与弹性模量计算结果。
本发明还提供一种用于纳米压痕仪的纳米级测量加载单元的测量方法，包括：
将测试样品置于压套下方后对压电陶瓷通电，柔性铰链带动整体向样品方向运动，观察读数头数值确定样品表面压痕深度，同时记录力传感器数据；
其中，所述样品表面压痕深度满足：
d＝dr-d0；
式中，d为样品表面压痕深度，dr为读数头读数，d0为压头远离柔性铰链一端与软压环远离柔性铰链一端的距离。
本发明设计开发的用于纳米压痕仪的纳米级测量加载单元的测量方法，能够根据读数头数值确定样品表面压痕深度，并同时记录力传感器数据，整个测试过程很简单，且不需要修正，测量结果很准确，提高了薄膜材料硬度与弹性模量的测量精度。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (8)

1.一种用于纳米压痕仪的纳米级测量加载单元，其特征在于，包括：
柔性铰链，其内部设置有压电陶瓷；
第一立柱和第二立柱，其垂直且对称设置在所述柔性铰链底面两侧；
横梁，其轴向两侧分别与所述第一立柱和第二立柱固定连接，并与所述柔性铰链、第一立柱和第二立柱围成闭合框架结构；
第一圆形通孔，其设置在所述横梁中心；
滑块，其轴向固定设置在所述第一立柱的内侧面；
导轨，其一侧设置有与所述滑块配合的凹槽，并与所述滑块可滑动连接；
参考架，其为L型，且长边一侧与所述导轨另一侧固定连接，短边一侧与所述柔性铰链底面平行，所述短边外端设置有第二圆形通孔；
压套，其为环柱形，且同轴设置在所述第二圆形通孔下方，并与所述参考架一体成型，所述压套同轴穿过所述第一圆形通孔；
软压环，其为圆环形，且同轴固定设置在远离所述参考架的所述压套一端；
读数头，其固定设置在所述参考架短边一侧上；
压头，其一端与所述柔性铰链底面中心固定连接，另一端同轴伸入所述压套内且没有伸出所述压套；
光栅尺，其一侧与所述压头的侧面固定连接，另一侧与所述读数头连接，能够与所述读数头发生相对运动；
其中，初始位置时，所述压头远离柔性铰链一端超过所述横梁位置。
2.如权利要求1所述的用于纳米压痕仪的纳米级测量加载单元，其特征在于，还包括：
固定座，其为L型，且短边一侧与所述参考架长边一侧固定连接，长边一侧与所述柔性铰链底面垂直，此时所述读数头的位置替换为固定在所述固定座长边一侧上；
力传感器，其一端与所述柔性铰链底面中心螺纹固定连接；
压头座，其一端与所述力传感器另一端螺纹固定连接，另一端与所述压头一端固定连接；
其中，此时所述光栅尺的一侧位置替换为与所述压头座的侧面固定连接。
3.如权利要求2所述的用于纳米压痕仪的纳米级测量加载单元，其特征在于，还包括：
相互贴合的第一夹紧座和第二夹紧座；
半圆形凹槽，其分别设置在所述第一夹紧座和第二夹紧座的贴合面的一侧；并且位置对应形成通孔，用于容纳压头座，并通过螺栓夹紧；
其中，此时所述光栅尺的一侧位置替换为与所述第一夹紧座一侧固定连接。
4.如权利要求3所述的用于纳米压痕仪的纳米级测量加载单元，其特征在于，还包括：
簧垫块，其固定设置在远离所述导轨的所述横梁一端；
压簧，其一端与所述簧垫块固定连接，另一端设置有第三圆形通孔，并空套在所述压头座上；
挡片，其固定套设在位于所述第三圆形通孔和所述第一夹紧座之间的压头座上，且所述挡片的外径大于所述第三圆形通孔的内径。
5.如权利要求4所述的用于纳米压痕仪的纳米级测量加载单元，其特征在于，还包括：
支撑板，其设置在所述固定座长边一侧上方且与所述固定座一体成型；
压线板，其通过螺栓夹紧读数头的导线并固定设置在所述支撑板上。
6.如权利要求5所述的用于纳米压痕仪的纳米级测量加载单元，其特征在于，还包括：
簧压片，其设置在所述簧垫块正上方的压簧上方，并通过螺栓将所述簧压片、压簧和簧垫块固定设置在所述横梁上。
7.如权利要求5或6所述的用于纳米压痕仪的纳米级测量加载单元，其特征在于，所述柔性铰链、第一立柱、第二立柱和横梁之间通过螺栓固定连接。
8.一种用于纳米压痕仪的纳米级测量加载单元的测量方法，使用如权利要求1-7中任一项所述的用于纳米压痕仪的纳米级测量加载单元，其特征在于，包括：
将测试样品置于压套下方后对压电陶瓷通电，柔性铰链带动整体向样品方向运动，观察读数头数值确定样品表面压痕深度，同时记录力传感器数据；
其中，所述样品表面压痕深度满足：
d＝dr-d0；
式中，d为样品表面压痕深度，dr为读数头读数，d0为压头远离柔性铰链一端与软压环远离柔性铰链一端的距离。
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