CN117589616A - 用于压痕仪的压痕头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于压痕仪的压痕头。一种用于压痕仪的压痕头系统包括：压头尖端，其适配成至少沿着压痕轴线与样本的表面接触；参考元件，其布置成支承压头尖端；零位传感器，其布置成输出指示在沿着压痕轴线考虑的情况下压头尖端是否相对于参考元件从中立相对位置移位的信号；弹性元件，其连接在压头尖端与具有已知伸长度的致动器之间，致动器连接至参考元件；控制器，其适配成从零位传感器接收信号，以基于零位传感器的输出和致动器的已知伸长度按照使得零位传感器输出与压头尖端从中立相对位置的大致零位移相对应的信号的方式来执行致动器的伺服控制，控制器还适配成基于位移传感器的输出和弹性元件的弹性系数来计算由压头尖端施加至样本的力。

Description

用于压痕仪的压痕头

技术领域

本发明涉及压痕测试，具体涉及微米压痕测试和纳米压痕测试。

背景技术

文献US9970851描述了一种压痕头系统，其中，压头和原子力显微镜(AFM)尖端同时与样本的表面接触。AFM尖端用作竖直方向上的位置参考，并且借助于电容式传感器测量压头尖端相对于AFM尖端的位移。压头尖端与弹性元件以机械方式串联地布置，并且弹性元件的缩短是借助于另外的电容式传感器测量的，以确定尖端施加在样本上的力。

该结构体积庞大且复杂、需要使两个尖端与样本接触。此外，由于系统的几何形状，所以压头尖端的质量是较大的，使得该结构不太适合于力快速变化的高动态力测量。

因此，本发明的目的是提出一种压痕头系统，其中至少部分地克服了上述缺点。

发明内容

更精确地说，本发明涉及一种用于压痕仪(indentation instrument)的压痕头系统(indentation head system)。该压痕头系统包括：压头尖端(indenter tip)，所述压头尖端具有被适配成至少沿着压痕轴线与样本的表面接触的任何已知形状；以及参考元件，所述参考元件被布置成支承所述压头尖端并用作所述压头尖端的相对位置的位置参考。

根据本发明，所述压痕头系统还包括：

-零位传感器(zero-level sensor)，所述零位传感器被布置成输出如下信号：该信号指示在沿着所述压痕轴线考虑的情况下所述压头尖端是否相对于所述参考元件从参考该参考元件的中立相对位置(neutral relative position)移位(即，压头尖端是否已相对于参考元件从其初始的无应力相对位置移位)。零位传感器可以是光学的、静电的、磁性的、电容式的、电感式的或任何其它合适类型的传感器；

-弹性元件，诸如以线性方式作用的弹簧(例如，螺旋弹簧)、叶片弯曲部(bladeflexure)等，所述弹性元件连接在所述压头尖端与具有已知伸长度的致动器(其通常但不排他地为压电致动器)之间(通过响应于控制信号在其延伸上具有良好水平的再现性或借助于被布置成测量致动器的延伸的位移传感器)，所述致动器直接地或间接地连接至所述参考元件；

-控制器，所述控制器被适配成从所述零位传感器接收信号，以按照如下方式执行所述致动器的伺服控制：使得所述零位传感器输出与所述压头尖端从所述中立相对位置的大致零位移相对应的信号，所述控制器还被适配成基于所述致动器的所述已知伸长度和所述弹性元件的弹性系数(例如，基于胡克定律)来计算由所述压头尖端施加至所述样本的力。

结果，由于所述致动器可以被伺服控制以在所述样本向所述压头尖端施加力时维持所述压头尖端相对于所述参考元件的大致恒定的相对位置这一事实，所以压头尖端具有准无限刚度，这提高了压痕测量准确度和精度。还可以彼此独立地测量压痕深度和压痕力测量，从而进一步提高准确度和精度，并且在某些配置中，可以使尖端的惯性最小化，从而允许相对高动态力测量。此外，力的范围和/或力噪声的绝对值可以简单地通过改变所述弹性元件的刚度来确定，只要该力在所述致动器的能力之内即可。

有利地，所述压痕头系统还包括位移传感器，所述位移传感器被布置成测量所述致动器的所述伸长度并将对应测量结果发送至所述控制器以用于执行所述伺服控制。通常，该传感器是电容式位移传感器或LVDT(线性可变差动变压器)传感器，但高分辨率光学位移传感器(诸如干涉仪)也是可能的。

有利地，所述弹性元件和所述压痕尖端彼此集成在一起并且是能够更换的。这使得能够容易地将所述压头尖端更换为不同形状的尖端、借助于提供不同弹性元件刚度来测量不同力范围等，每个集成的压头尖端/弹性元件对作为一个单元被更换。

有利地，所述零位传感器被布置成还能够测量所述压头尖端的倾斜，这还允许在划痕或摩擦学测试期间测量横向力。

在一个变型例中，所述弹性元件是被布置成以线性方式作用的弹簧。

在另一变型例中，所述弹性元件包括被布置成在弯曲时作用的至少一个叶片弯曲部或膜片。

在一个变型例中，所述零位传感器被布置成直接测量所述压头尖端相对于所述参考元件的位移，例如，通过光学装置，这使得所述压头尖端/弹性元件组件的惯性最小化。

有利地，所述零位传感器被布置成对引导所述尖端的弯曲部的弯曲进行测量，所述弯曲部是膜片或至少一个叶片弯曲部。

有利地，所述零位传感器是光学传感器，诸如杠杆光传感器(light leversensor)，其以光学方式测量机械地连接至尖端的杠杆的倾斜，和/或所述致动器是压电致动器，和/或所述位移传感器是电容式传感器。

本发明的压痕头系统可以与样本保持器(sample holder)一起集成到压痕系统中，所述样本保持器被布置成保持样本面向所述压头尖端。这种样本保持器通常被配置为能够沿着至少三个平移轴线移动，并且通常还提供位置输出。

有利地，所述压痕传感器还包括穿透深度传感器，所述穿透深度传感器被布置成：

-对所述参考元件与和所述样本接触的参考尖端之间的相对位移进行测量；或

-对所述压头尖端与和所述样本接触的参考尖端之间的相对位移进行测量。

有利地，所述压痕系统还包括头架致动器(headstock actuator)，所述头架致动器被布置成使所述参考元件沿着所述压痕轴线相对于固定框架元件移位。在这种情况下，可以提供被配置成测量所述头架致动器的伸长度的穿透深度传感器。

本发明还涉及一种操作如上所述的压痕系统的方法。该方法包括以下步骤：

-在所述样本保持器上将样本定位成面向所述压头尖端；随后

-使所述压头尖端与所述样本的表面接触；随后

-至少沿着所述压痕轴线产生所述样本与所述压头尖端之间的相对移动，同时通过控制所述致动器(即，使所述致动器以受控方式延伸)来维持所述零位传感器的与所述压头尖端从所述中立相对位置的大致零位移相对应的输出；

-基于所述位移传感器的输出和所述弹性元件的所述弹性系数来测量施加在所述样本与所述压头尖端之间的力。

有利地，还在垂直于所述压痕轴线的方向上产生所述样本与所述压头尖端之间的相对移动，测量由所述压头尖端在所述样本上施加的垂直于所述压痕轴线的力。因此可以进行划痕和摩擦学测试的横向力测量。

附图说明

在参考以下附图阅读以下描述后，本发明的另外的细节将变得更加明显，其中，

图1是包括根据本发明的压痕头系统的压痕系统的示意图；

图2至图4是根据本发明的具有穿透深度传感器的各种结构的压痕系统的一部分的示意图；

图5至图7是根据本发明的具有零位传感器的各种结构的压痕系统的一部分的示意图；以及

图8是根据本发明的具有弹性元件的特定结构的压痕系统的一部分的示意图。

具体实施方式

图1例示了包括根据本发明的压痕头系统1的压痕系统100的示意图。该压痕系统主要用于纳米压痕(也就是说，竖直(z方向)位移在纳米范围内)操作，但是相同的原理可以应用于竖直(z方向)位移在微米范围内的微米压痕。此外，压痕系统100还可以用于进行划痕测试、摩擦学测试等。

压痕头系统1包括压头尖端3，该压头尖端用于与样本5接触，该样本定位在样本保持器7上并足够刚性地保持在样本保持器7上，使得在测试期间该样本不会相对于样本保持器7移动。样本保持器7可以是固定的，或能够绕一个、两个或三个平移轴线和/或绕一个、两个或三个旋转轴线移动，并且通常提供位置输出，如通常已知的。在压痕测试期间，压头尖端3的主要作用方向是沿着压痕轴线A，该压痕轴线平行于z轴，如图所示。该方向大致垂直于样本保持器7的平面，尽管这不是必须的。

压头尖端3借助于测量系统11附接至参考元件9。参考元件9仅仅是压痕头系统1的如下所述间接地附接有尖端3的大致刚性的部分，并且参考元件9可以直接固定至固定框架元件以便是固定的，或者如图所示，参考元件9可以借助于头架致动器13连接至固定框架元件15，该头架致动器被适配成使参考元件9相对于固定框架元件15至少竖直地(即，沿着z方向)移动。实质上，参考元件9是用于压头尖端3以及参考元件9与压头尖端3之间的部件的支承元件，并且用作压头尖端3相对于其的相对位移的参考。

本发明的核心在于测量系统11的结构，该测量系统的一部分以物理方式将压痕尖端3连接至参考元件9。

这按两个在功能上并行的子系统11a、11b布置，第一子系统11a包括零位传感器。这种传感器在功能上布置在压头尖端3与参考元件9之间，以给出关于它正在测量的位移(在这种情况下是压头尖端3相对于参考元件9的竖直(z方向)位移)是零(即，中立相对位置)、正的还是负的输出。这种传感器可以是常规的位移传感器，但是存在某些类型的零位传感器，其根本不能很好地测量绝对位移，但是其在零点周围给出极好的精度和再现性，以精确地识别该零点。下面结合图5至图8讨论各种优选示例。

第二并行子系统11b以物理方式将压头尖端3连接至参考元件9，并且在功能上与第一并行子系统11a并行地布置。

第二并行子系统11b包括与致动器21串联的弹性元件19，该致动器与位移传感器23并行地布置，该位移传感器被布置成在控制器25的控制下测量致动器21的伸长度。弹性元件19的弹性系数(即，弹簧系数)为k，并且可以根据压头尖端3的类型和在测试期间要施加的力被调整。这使得要施加的力范围容易缩放，较硬的弹性元件19比较软的弹性元件19产生更大的力。此外，力噪声的绝对值(即，力测量中的误差)可以通过使用较硬或较弱的弹性元件19、产生更大的力范围和更大的绝对力噪声的更强的弹性元件来改变，反之亦然。

如图所示，弹性元件19靠近压头尖端3，致动器21和位移传感器23靠近参考元件9，但是相反的配置也是可能的，但不是优选的。然而，所示配置是优选的，因为弹性元件19可以与压头尖端3集成在一起，例如，以能够作为一个单元按照使得弹性常数k被适配用于压头尖端3的形状和预期使用情况的方式被更换。此外，这种结构允许压头尖端3和弹性元件19的惯性被最小化。尽管弹性元件19被例示为线性弹簧，但是按扭转或弯曲作用的弹簧也是可能的。

还可以设置一个或更多个横向力传感器，所述一个或更多个横向力传感器被布置成测量由压头尖端3在XY平面中施加的力。

压痕头系统1还包括控制器25，该控制器被适配成从零位传感器17和位移传感器23接收信号，并根据下面将要详细描述的方法控制至少致动器21。数据/命令连接用虚线箭头表示。

控制器25还可以控制样本保持器7以及头架致动器13(如果存在的话)的位移。

为了进行压痕测量(其可以是简单的压痕测量、划痕测试、摩擦学测试等)，首先使压头尖端3与支承在样本保持器7上的样本5的表面接触。

然后，借助于样本保持器7和/或头架致动器13(如果存在的话)的移动将压头尖端驱动到样本5的表面中(该压头尖端可选地还沿x和/或y方向横向地平移)。当这被执行时，控制器借助于伺服控制(伺服控制回路包括零位传感器17、致动器21和控制器25)命令致动器21维持零位传感器17上的大致零的读数(即，将压头尖端3相对于参考元件9维持在恒定的z轴位置)，同时位移传感器23测量致动器21的延伸。

然后，控制器25基于由位移传感器23测量的致动器21的延伸以及弹性元件19的弹性系数k的先验知识来计算施加的力。

如从上文可以看出的，压头尖端3至少在z方向(平行于压痕轴线)上相对于参考元件9保持大致恒定的距离d，压痕力的反作用相对于由致动器21提供的反作用力压缩弹性元件19。压头系统因此是准无限刚度的，因为压头尖端3相对于参考元件9的任何尝试位移在控制器25执行的伺服控制下被致动器21抵消，因此压头尖端3的表观刚度是准无限的。此外，压痕深度和压痕力测量可以彼此独立地测量，压痕深度例如基于样本保持器相对于参考元件的相对移动(其中一者保持固定而另一者移动)或经由辅助穿透深度传感器被测量。

图2、图3和图4以局部视图例示了在图1的压痕系统100被调整的情况下测量压痕深度的各种方式。在这些附图中，仅例示了功能元件，省略了与控制器25的连接，并且简单地用单个附图标记表示测量系统11，以不使附图混乱。

在图2的结构中，穿透深度传感器27以测量头架致动器13的延伸的方式设置。穿透深度传感器27可以是电容式的、光学的、静电的、压电的或能够测量可变位移(即，头架致动器13的长度变化)的任何其它类型的传感器。在这种结构中，如果固定框架元件15是刚性的并且测量系统在如上所讨论的伺服控制下也是有效刚性的，则头架致动器13的延伸对应于压头尖端5在样本5的表面中的穿透。

这种结构允许非常高的力循环速率，因为附接至压头尖端3的移动部件的质量可以被最小化。

在图3的结构中，设置了参考尖端29。参考尖端29被适配成与样本5的表面接触但不穿透样本5的表面，并且参考尖端29附接至参考元件9。设置了穿透深度传感器27，其被布置成测量参考尖端29相对于参考元件9的竖直移动。可以使用如上所述的相同类型的穿透深度传感器21，并且根据类型，穿透深度传感器21可以与参考尖端29串联或并行布置。这种结构消除了除了测量系统11之外的所有不确定性，但是确实需要使用参考尖端29。

在图4的结构中，参考尖端29被设置为与压头尖端3并行、附接至测量系统11的压头尖端端部。还设置了穿透深度传感器27，该穿透深度传感器27被布置成测量参考尖端29相对于压头尖端3的位移。尽管这是测量压痕深度的最精确的方式，但是参考尖端29和穿透深度传感器27的直接或间接地附接至压头尖端3的任何部分的惯性增加了使压头尖端3移位而需克服的惯性，这减小了最大加速度率并因此减小了压头尖端3的循环频度。然而，并入了压头尖端3和参考尖端29的可更换尖端模块可以设置有这种配置。

图5至图7例示了对应于图1和图2的系统的调整，示出了可以布置零位传感器的特定方式。

在图5和图6中，压头尖端3由弯曲部31支承，该弯曲部用于引导尖端3大致保持在压痕轴线A上。该弯曲部31支承在刚性地附接至参考元件9的框架33上，可以是柔性膜片或旋转对称地布置的两个、三个、四个或更多个子弯曲部，并且具有沿着压痕轴线的刚度，该刚度与弹性元件19相比相对较小。然而，由于弯曲部31将借助于如上所讨论的伺服回路大致保持在其中立相对位置，所以其相对小的刚度不会不利地影响测量准确度。应注意，如果弯曲部31的刚度太大，则伺服回路的操作灵敏度降低，并且本领域技术人员可以进行实验来优化刚度以找到合适的折衷。

在图5的结构中，零位传感器17通过机械的、光学的、静电的、电容式的、压电的或其它合适的装置直接测量压头尖端3沿着压痕轴线的位置。

在图6的结构中，零位传感器17是任何方便类型的光学传感器，其被布置成利用光学装置测量弯曲部31的倾斜角度。图7的结构类似于图6的结构，除了弯曲部31是悬臂式叶片弯曲部。

更具体地，关于图6和图7，零位传感器17包括光源17a，该光源被布置成将光(用灰色线例示)引导到弯曲部31的一部分上，该弯曲部将响应于压头尖端3沿着压痕轴线相对于参考元件9的位移而倾斜。光被弯曲部31反射回来，使得该光被光学检测器17b接收。由于作用在压头尖端3上的力，所以自由端部弯曲部31将倾斜，从而导致反射光撞击光学检测器17b的不同部分，该光学检测器可以例如包括多个光电二极管、电荷耦合器件等，其被布置成线性检测器或矩阵检测器的这种效果。这种结构通常称为“杠杆光传感器”。如图所示，光源17a可以例如是激光器、大致准直的LED光源等。反射镜可以固定至弯曲部31以反射光束，或者弯曲部31的表面精加工(例如，抛光)可以足以反射光束。另选地，激光干涉测量、光学三角测量或共焦彩色传感器可以用于相同的效果。

可以应用的其它光学测量结构包括自动准直器结构，其将光聚焦到弯曲部31的反射部分或由其承载的反射镜上，或附接至弯曲部31的移动孔，这将阴影投射到检测阴影移动的光学检测器17b上。

此外，如果弯曲部31被布置成绕两个轴线倾斜，并且光学传感器17b是二维的(即，由诸如光电二极管的个体检测器的矩阵组成)，则也可以检测横向位移(垂直于压痕轴线)，这在划痕或摩擦学测试的情况下是有用的。

在任何情况下，传感器17的输出应表示压头尖端3的位移，即，应当仅存在导致传感器17输出零的单一条件(即，仅存在来自致动器21的补偿力和压痕力的一个组合)。

在有利实现方式中，引导压头尖端3的弯曲部31和/或弹性元件19是由二氧化硅制成的，因为密度与杨氏模量之比是有利的。

图8例示了根据本发明的系统的变型例，其以类似于图2至图4的结构的结构来实现，并且与图2至图4的结构的不同之处在于，弹性元件19形成为由框架35支承的至少一个弯曲部(例如，柔性膜片、一个或更多个叶片弯曲部等)。再次地，在竖直方向上通过任何合适类型的零位传感器17来测量压头尖端3的位移，该零位传感器连接至参考元件9并从上面讨论的那些传感器中选择，尽管例示了光学结构。由于弹性元件19将在操作期间在弯曲时发生明显变形，所以压头尖端3位移的测量必须在刚性地附接至压头尖端3的部分上进行。

这种结构比上面讨论的结构更庞大，但是当由压头尖端3施加至样本5的力增大时，在叶片弯曲部弯曲时，压头尖端3相对于样本5的表面的取向保持恒定。

在这种结构中，如果零位传感器17也可以测量压头尖端3的倾斜，则它也可以在划痕或摩擦学测试的情况下测量横向力。

在所有上述情况下，弹性元件19和压头尖端3可以一起集成为尖端模块，这允许容易地更换和容易地调整由尖端施加的力的范围、尖端的形状等。

现在考虑致动器21，通常这是压电致动器，因为这种致动器相对较小、具有非常快的响应、非常硬并且产生很少的热量。另选地，音圈或静电致动器也是可能的，然而，在这种情况下必须借助于伺服回路来产生有效的刚度。

位移传感器23测量致动器21的伸长度的值，因此位移传感器应该具有良好的准确度和精度，以正确地量化该值。电容式位移传感器和LVDT传感器是优选的，但是诸如干涉仪的高分辨率光学位移传感器也是可能的。

此外，本发明的压痕头系统1应该是足够动态的，以便还执行具有适当性能的许多不同成像模式，诸如来自接触模式、轻敲模式、PFM模式等的原子力显微镜(AFM)，从而避免了压痕仪100中的单独成像模块的需要。

尽管已经根据具体实施方式描述了本发明，但是在不脱离由所附权利要求限定的保护范围的情况下，可以对其进行改变。

Claims (15)

1.一种用于压痕仪(100)的压痕头系统(1)，所述压痕头系统包括：

压头尖端(3)，所述压头尖端被适配成至少沿着压痕轴线(A)与样本(5)的表面接触；

参考元件(9)，所述参考元件被布置成支承所述压头尖端(3)；

其特征在于，所述压痕头系统(1)还包括：

零位传感器(17)，所述零位传感器被布置成输出如下信号：该信号指示在沿着所述压痕轴线(A)考虑的情况下所述压头尖端(3)是否相对于所述参考元件(9)从中立相对位置移位；

弹性元件(19)，所述弹性元件连接在所述压头尖端(3)与具有已知伸长度的致动器(21)之间，所述致动器(21)连接至所述参考元件(9)；

控制器(25)，所述控制器被适配成从所述零位传感器(17)接收信号，以基于所述零位传感器(17)的输出和所述致动器(21)的所述已知伸长度按照如下方式执行所述致动器(21)的伺服控制：使得所述零位传感器(17)输出与所述压头尖端(3)从所述中立相对位置的大致零位移相对应的信号，所述控制器还被适配成基于所述致动器(21)的所述已知伸长度的输出和所述弹性元件(19)的弹性系数(k)来计算由所述压头尖端(3)施加至所述样本(5)的力。

2.根据权利要求1所述的压痕头系统(1)，所述压痕头系统还包括位移传感器(23)，所述位移传感器(23)被布置成测量所述致动器(21)的所述已知伸长度并将对应测量结果发送至所述控制器以用于所述伺服控制。

3.根据权利要求1或2所述的压痕头系统(1)，其中，所述弹性元件(19)和所述压头尖端(3)彼此集成在一起并且是能够更换的。

4.根据前述权利要求中任一项所述的压痕头系统(1)，其中，所述零位传感器(17)被布置成还能够测量所述压头尖端(3)的倾斜。

5.根据前述权利要求中任一项所述的压痕头系统(1)，其中，所述弹性元件(19)是被布置成以线性方式作用的弹簧。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的压痕头系统(1)，其中，所述弹性元件(19)包括被布置成在弯曲时作用的至少一个叶片弯曲部或膜片。

7.根据前述权利要求中任一项所述的压痕头系统(1)，其中，所述零位传感器(17)被布置成直接测量所述压头尖端(3)的位移。

8.根据前述权利要求中任一项所述的压痕头系统(1)，其中，所述零位传感器(17)被布置成对引导所述压头尖端的弯曲部(31)的弯曲进行测量，所述弯曲部(31)是膜片或至少一个叶片弯曲部。

9.根据前述权利要求中任一项所述的压痕头系统(1)，其中，

所述零位传感器(17)是光学传感器，诸如杠杆光传感器，和/或

所述致动器(21)是压电致动器，和/或

所述位移传感器(23)是电容式传感器。

10.一种压痕系统(100)，所述压痕系统包括：

根据权利要求1至9中任一项所述的压痕头系统(1)；以及

样本保持器(7)，所述样本保持器被布置成保持样本(5)面向所述压头尖端(3)。

11.根据权利要求10所述的压痕系统(100)，所述压痕系统还包括穿透深度传感器(27)，所述穿透深度传感器被布置成：

对所述参考元件(9)与和所述样本(5)接触的参考尖端(29)之间的相对位移进行测量；或者

对所述压头尖端(3)与和所述样本(5)接触的参考尖端(29)之间的相对位移进行测量。

12.根据权利要求10或11所述的压痕系统(100)，所述压痕系统还包括头架致动器(13)，所述头架致动器被布置成使所述参考元件(9)沿着所述压痕轴线(A)相对于固定框架元件(15)移位。

13.根据权利要求12所述的压痕系统(100)，所述压痕系统还包括穿透深度传感器(27)，所述穿透深度传感器被配置成测量所述头架致动器(13)的伸长度。

14.一种操作根据权利要求10至13中任一项所述的压痕系统(100)的方法，所述方法包括以下步骤：

在所述样本保持器(7)上将样本(5)定位成面向所述压头尖端(3)；

使所述压头尖端(3)与所述样本(5)的表面接触；

至少沿着所述压痕轴线(A)产生所述样本(5)与所述压头尖端(3)之间的相对移动，同时通过伺服控制所述致动器(21)来维持所述零位传感器(17)的与所述压头尖端(3)从所述中立相对位置的大致零位移相对应的输出；

基于所述位移传感器(23)的输出和所述弹性元件(19)的所述弹性系数来测量施加在所述样本(5)与所述压头尖端(3)之间的力。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，还在垂直于所述压痕轴线(A)的方向上产生所述样本(5)与所述压头尖端(3)之间的相对移动，并且其中，测量由所述压头尖端(3)和所述样本(5)施加的垂直于所述压痕轴线(A)的力。