CN203405372U - 柔性铰链式原位纳米压痕刻划材料力学性能测试平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种柔性铰链式原位纳米压痕刻划材料力学性能测试平台，属于机电一体化的精密科学仪器领域。由X、Y轴方向精密定位调整机构、柔性铰链单元、Z轴方向直线电机、精密压入驱动单元和载荷、位移信号的检测单元组成。X、Y轴方向精密定位调整机构可对试件进行X、Y方向的精确调整和定位，柔性铰链单元可实现X、Y方向的超精密刻划加工；Z轴方向直线电机调整机构可实现金刚石压头Z轴方向的宏动进给，Z轴方向压电陶瓷可实现金刚石压头Z轴方向的精密进给；检测单元中的精密位移传感器可实时检测金刚石压头Z方向压入深度，精密力传感器可用于检测金刚石压头Z方向压入材料压力。且具有体积精巧、传动简便和测试精度高等优点。

Description

柔性铰链式原位纳米压痕刻划材料力学性能测试平台

技术领域

    本实用新型涉及机电一体化的精密科学仪器领域，特别涉及一种柔性铰链式原位纳米压痕刻划材料力学性能测试平台。可针对各类材料试件在光学显微镜的原位监测下进行微纳米压痕力学性能测试和超精密刻划加工，即可对材料的变形和损伤实现在线观测，并可采集载荷/位移信号，从而揭示材料在微纳米尺度下的力学特性和损伤机理，对于新材料新工艺、精密光学、半导体技术、纳米工程、微机电系统（MEMS）技术等高技术产业的发展具有极为重要的推动作用。 

背景技术

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。 

纳米压痕/划痕测试法具有操作方便，样品制备简单，测试内容丰富等优点，目前研究较多，使用范围较广，国外已有商业化纳米压痕仪、纳米划痕仪。研究人员借助纳米压痕、纳米划痕测试技术来研究材料的弹塑性特性、裂纹的发生、分布及扩展等特性，但是目前国际上商业化的纳米压痕、划痕测量仪器通常只能在平面晶片（Wafer）上进行测试，且加载精度不高，此外还存在由于测试系统结构庞大而无法在扫描电镜/透射电镜（SEM/TEM）下进行在线观测的缺点。 

采用 AFM 方法进行压痕和划痕测试能够实现在线观测，而且位移分辨率和输出力分辨率都很高，但是 AFM 方法可施加载荷和压入深度太小，因此也无法全面系统地研究材料微观特性。利用 AFM 方法进行纳米压痕、划痕实验时，其运动速度低、运动范围小，限制了更进一步的研究。近年来，许多新型材料不断诞生，而大部分微/纳结构材料的特性仍然未被全面揭示，有关研究成为微/纳机电系统（MEMS/NMES）及材料科学交叉领域的研究热点，吸引了国际上众多的研究机构和研究人员竞相对其展开研究。 

因此，结合精密检测技术、精密驱动技术及原位测试技术进行纳米压痕/划痕测试装置的探索研究具有非常重要的理论意义和实用价值。设计一种结构小巧紧凑、性能可靠、精度高的并能与显微成像设备兼容的在原位纳米压痕、刻划力学性能测试平台有十分重要的意义。测试平台可作为材料试件力学性能及其损伤机制的专用测试仪器，对汽车关键零部件、钢铁冶金、微电子技术、生物医学工程、新材料新工艺、微机电系统技术、装备制造业、纳米工程等高技术产业集群的发展具有极为重要的支撑推动作用和广阔的产业应用价值。 

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种柔性铰链式原位纳米压痕刻划材料力学性能测试平台，解决了现有技术存在的上述问题。其是一种集驱动、加载、检测、微纳米级压痕力学测试和超精密刻划加工于一体的高性能综合精密实验测试平台，它能够应用于材料微观力学性能测试中进行纳米压/划痕实验、原位纳米压/划痕实验以及微纳米级原位刻划加工。本实用新型通过X、Y轴方向压电叠堆驱动柔性铰链伸缩，实现X、Y轴方向的超精密刻划加工，具有体积精巧、传动简便和测试精度高等优点。同时还可与超景深显微成像组件、金相显微镜等集成，可实现在观测下开展针对宏观试件的压痕刻划测试，对材料的微观变形、损伤与断裂过程进行原位监测，为揭示材料在微纳米尺度下的力学特性和损伤机制提供了崭新的测试方法。在进行原位纳米压痕测试同时，结合相关软件算法，能够对压痕、刻划过程中的载荷/位移信号进行采集和控制，自动拟合应力应变曲线，即可得到材料的弹性模量等重要力学参数。 

本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现： 

柔性铰链式原位纳米压痕刻划材料力学性能测试平台，包括X、Y轴方向精密定位机构8、9、柔性铰链单元、Z轴方向直线电机调整机构、精密压入驱动单元，所述X轴方向精密定位机构8固定在底座2上，Y轴方向精密定位机构9固定在X轴方向精密定位机构8上，柔性铰链单元安装在X、Y轴方向精密定位机构8、9上；所述Z轴方向直线电机调整机构的Z轴方向直线电机13固定在套筒1上，精密压入驱动单元与Z轴方向直线电机13通过法兰盘14相连；试件载物台6在X、Y方向上可通过分别手调X轴方向精密定位机构8和Y轴方向精密定位机构9，相互调节进行精确定位。

所述的Z轴方向直线电机13上端与套筒1上盖通过螺钉连接，法兰盘14通过紧固螺钉安装在Z轴方向直线电机13上，法兰盘14下端螺杆与压电陶瓷15套筒螺纹连接，Z轴方向直线电机13可实现金刚石压头11Z轴方向的快速宏动调整。

所述的精密压入驱动单元由压电陶瓷15、Z轴方向位移传感器支撑架3、短销16、精密力传感器12、Z轴方向精密位移传感器Ⅰ、Ⅱ17、18、连接板4、金刚石压头11组成， 所述Z轴方向位移传感器支撑架3通过紧固螺钉紧固在压电陶瓷15上，短销16上端螺纹与压电陶瓷15芯轴螺纹连接，短销16下端螺纹与精密力传感器12螺纹连接，精密力传感器12下端螺杆与连接板螺纹连接，金刚石压头11与连接板4过盈配合，Z轴方向精密位移传感器Ⅰ、Ⅱ17、18分别通过连接螺钉安装在Z轴方向位移传感器支撑架3上。 

所述的精密压入驱动单元，通过控制Z轴方向直线电机13，来快速宏动调整金刚石压头11位置，然后通过驱动压电陶瓷15伸长，进而带动金刚石压头11进行精密进给，金刚石压头11在Z方向的微小位移可通过精密压入驱动单元中的Z轴方向精密位移传感器Ⅰ、Ⅱ17、18检测得到，检测到的位移信号作为压电陶瓷15电源的反馈信号，对压痕实验过程进行闭环控制；为超精密的压痕动作提供了可能。 

所述的柔性铰链单元由柔性铰链10、X、Y轴方向压电叠堆驱动器19、20、X、Y轴方向精密电容式位移传感器5、7和试件载物台6组成；所述柔性铰链10固定安装在Y轴方向精密定位机构9上，柔性铰链10上装有两个相互垂直的X、Y轴方向压电叠堆驱动器19、20，两个相互垂直X、Y轴方向压电叠堆驱动器19、20输出的超精密位移通过柔性铰链单元10的一级杠杆放大之后，通过四连杆机构分别输出X方向和Y方向的最大50μm超精密的位移；同时X、Y轴方向精密电容式位移传感器5、7通过安装固定在柔性铰链10上，为两个相互垂直X、Y轴方向压电叠堆驱动器19、20提供精确的位移反馈；X、Y轴方向精密电容式位移传感器5、7、X、Y轴方向压电叠堆驱动器19、20、柔性铰链10一起构成一个超精密的闭环系统，实现X、Y轴方向同时超精密刻划加工，为超精密的二维划痕动作提供了可能。 

通过控制Z轴方向直线电机13，来快速宏动调整金刚石压头11位置，通过驱动压电陶瓷15伸长，进而带动金刚石压头11进行精密进给；通过柔性铰链10配合X、Y轴方向压电叠堆驱动器19、20的伸长，实现试件载物台6X、Y轴方向精密位移；通过X、Y、Z轴方向精密电容式位移传感器5、7、17、18检测到的X、Y、Z轴方向的位移信号作为X、Y轴方向压电叠堆驱动器19、20和压电陶瓷15电源的反馈信号，对超精密压痕划痕实验过程进行闭环控制，从而实现X、Y轴方向上的超精密联动进给。 

所述的精密力传感器12适时检测金刚石压头11压入材料内部的压力，并将检测到的力信号与位移信号整合，分析材料在微纳米尺度下的力学性能和损伤机理。 

测试平台结构小巧紧凑，能够和金相显微镜、超景深镜头等显微组件相兼容，在高分辨率显微成像系统下，能够实现对纳米压痕、刻划过程中载荷作用下材料发生的力学行为和损伤状况实施动态的原位监测。 

本实用新型的有益效果在于：与现有技术相比，本实用新型目的提供了一种集驱动、加载、检测、微纳米级力学性能测试和超精密刻划加工的高性能精密实验测试平台，它能够应用于材料微观力学性能测试中进行纳米压/划痕实验、原位纳米压/划痕实验以及微纳米级原位刻划加工。本实用新型通过X、Y轴方向压电叠堆驱动柔性铰链伸缩，实现X、Y轴方向的超精密刻划加工，且具有体积精巧、传动简便和测试精度高等优点。 

同时还可与超景深显微成像组件、金相显微镜等集成，可实现在观测下开展针对宏观试件的压痕刻划测试，对材料的微观变形、损伤与断裂过程进行原位监测，为揭示材料在微纳米尺度下的力学特性和损伤机制提供了崭新的测试方法。在进行原位纳米压痕测试同时，结合相关软件算法，能够对压痕、刻划过程中的载荷/位移信号进行采集和控制，自动拟合应力应变曲线，即可得到材料的弹性模量等重要力学参数。 

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。 

图1为本实用新型的主体部分结构示意图； 

图2为本实用新型的Z轴方向进给单元的结构示意图；

图3为本实用新型的柔性铰链单元的结构示意图。

图中：1、套筒；2、底座；3、Z轴方向位移传感器支撑架；4、连接板；5、X轴方向精密位移传感器；6、试件载物台；7、Y轴方向精密位移传感器；8、X轴方向精密定位机构；9、Y轴方向精密定位机构；10、柔性铰链；11、金刚石压头；12、精密力传感器；13、Z轴方向直线电机；14、法兰盘；15、压电陶瓷；16、短销；17、Z轴方向精密位移传感器Ⅰ；18、 Z轴方向精密位移传感器Ⅱ；19、X轴方向压电叠堆驱动器；20、Y轴方向压电叠堆驱动器。 

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本实用新型的详细内容及其具体实施方式。 

参见图1至图3所示，本实用新型的柔性铰链式原位纳米压痕刻划材料力学性能测试平台，包括X、Y轴方向精密定位机构8、9、柔性铰链单元、Z轴方向直线电机调整机构、精密压入驱动单元，所述X轴方向精密定位机构8固定在底座2上，Y轴方向精密定位机构9固定在X轴方向精密定位机构8上，柔性铰链单元安装在X、Y轴方向精密定位机构8、9上；所述Z轴方向直线电机调整机构的Z轴方向直线电机13固定在套筒1上，精密压入驱动单元与Z轴方向直线电机13通过法兰盘14相连；试件载物台6在X、Y方向上可通过分别手调X轴方向精密定位机构8和Y轴方向精密定位机构9，相互调节进行精确定位。 

所述的Z轴方向直线电机13上端与套筒1上盖通过螺钉连接，法兰盘14通过紧固螺钉安装在Z轴方向直线电机13上，法兰盘14下端螺杆与压电陶瓷15套筒螺纹连接，Z轴方向直线电机13可实现金刚石压头11Z轴方向的快速宏动调整。

所述的精密压入驱动单元由压电陶瓷15、Z轴方向位移传感器支撑架3、短销16、精密力传感器12、Z轴方向精密位移传感器Ⅰ、Ⅱ17、18、连接板4、金刚石压头11组成， 所述Z轴方向位移传感器支撑架3通过紧固螺钉紧固在压电陶瓷15上，短销16上端螺纹与压电陶瓷15芯轴螺纹连接，短销16下端螺纹与精密力传感器12螺纹连接，精密力传感器12下端螺杆与连接板螺纹连接，金刚石压头11与连接板4过盈配合，Z轴方向精密位移传感器Ⅰ、Ⅱ17、18分别通过连接螺钉安装在Z轴方向位移传感器支撑架3上。 

所述的精密压入驱动单元，通过控制Z轴方向直线电机13，来快速宏动调整金刚石压头11位置，然后通过驱动压电陶瓷15伸长，进而带动金刚石压头11进行精密进给，金刚石压头11在Z方向的微小位移可通过精密压入驱动单元中的Z轴方向精密位移传感器Ⅰ、Ⅱ17、18检测得到，检测到的位移信号作为压电陶瓷15电源的反馈信号，对压痕实验过程进行闭环控制；为超精密的压痕动作提供了可能。 

所述的柔性铰链单元由柔性铰链10、X、Y轴方向压电叠堆驱动器19、20、X、Y轴方向精密电容式位移传感器5、7和试件载物台6组成；所述柔性铰链10固定安装在Y轴方向精密定位机构9上，柔性铰链10上装有两个相互垂直的X、Y轴方向压电叠堆驱动器19、20，两个相互垂直X、Y轴方向压电叠堆驱动器19、20输出的超精密位移通过柔性铰链单元10的一级杠杆放大之后，通过四连杆机构分别输出X方向和Y方向的最大50μm超精密的位移；同时X、Y轴方向精密电容式位移传感器5、7通过安装固定在柔性铰链10上，为两个相互垂直X、Y轴方向压电叠堆驱动器19、20提供精确的位移反馈；X、Y轴方向精密电容式位移传感器5、7、X、Y轴方向压电叠堆驱动器19、20、柔性铰链10一起构成一个超精密的闭环系统，实现X、Y轴方向同时超精密刻划加工，为超精密的二维划痕动作提供了可能。 

通过控制Z轴方向直线电机13，来快速宏动调整金刚石压头11位置，通过驱动压电陶瓷15伸长，进而带动金刚石压头11进行精密进给；通过柔性铰链10配合X、Y轴方向压电叠堆驱动器19、20的伸长，实现试件载物台6X、Y轴方向精密位移；通过X、Y、Z轴方向精密电容式位移传感器5、7、17、18检测到的X、Y、Z轴方向的位移信号作为X、Y轴方向压电叠堆驱动器19、20和压电陶瓷15电源的反馈信号，对超精密压痕划痕实验过程进行闭环控制，从而实现X、Y轴方向上的超精密联动进给。 

所述的精密力传感器12适时检测金刚石压头11压入材料内部的压力，并将检测到的力信号与位移信号整合，分析材料在微纳米尺度下的力学性能和损伤机理。 

测试平台结构小巧紧凑，能够和金相显微镜、超景深镜头等显微组件相兼容，在高分辨率显微成像系统下，能够实现对纳米压痕、刻划过程中载荷作用下材料发生的力学行为和损伤状况实施动态的原位监测。 

以上所述仅为本实用新型的优选实例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡对本实用新型所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。 

Claims (5)

1.一种柔性铰链式原位纳米压痕刻划材料力学性能测试平台，其特征在于：包括X、Y轴方向精密定位机构（8、9）、柔性铰链单元、Z轴方向直线电机调整机构、精密压入驱动单元，所述X轴方向精密定位机构（8）固定在底座（2）上，Y轴方向精密定位机构（9）固定在X轴方向精密定位机构（8）上，柔性铰链单元安装在X、Y轴方向精密定位机构（8、9）上；所述Z轴方向直线电机调整机构的Z轴方向直线电机（13）固定在套筒（1）上，精密压入驱动单元与Z轴方向直线电机（13）通过法兰盘（14）相连；试件载物台（6）在X、Y方向上可通过分别手调X轴方向精密定位机构（8）和Y轴方向精密定位机构（9），相互调节进行精确定位。

2.根据权利要求1所述的柔性铰链式原位纳米压痕刻划材料力学性能测试平台，其特征在于：所述的Z轴方向直线电机（13）上端与套筒（1）上盖通过螺钉连接，法兰盘（14）通过紧固螺钉安装在Z轴方向直线电机（13）上，法兰盘（14）下端螺杆与压电陶瓷（15）套筒螺纹连接，Z轴方向直线电机（13）可实现金刚石压头（11）Z轴方向的快速宏动调整。

3.根据权利要求1所述的柔性铰链式原位纳米压痕刻划材料力学性能测试平台，其特征在于：所述的精密压入驱动单元由压电陶瓷（15）、Z轴方向位移传感器支撑架（3）、短销（16）、精密力传感器（12）、Z轴方向精密位移传感器Ⅰ、Ⅱ（17、18）、连接板（4）、金刚石压头（11）组成， 所述Z轴方向位移传感器支撑架（3）通过紧固螺钉紧固在压电陶瓷（15）上，短销（16）上端螺纹与压电陶瓷（15）芯轴螺纹连接，短销（16）下端螺纹与精密力传感器（12）螺纹连接，精密力传感器（12）下端螺杆与连接板螺纹连接，金刚石压头（11）与连接板（4）过盈配合，Z轴方向精密位移传感器Ⅰ、Ⅱ（17、18）分别通过连接螺钉安装在Z轴方向位移传感器支撑架（3）上。

4.根据权利要求1所述的柔性铰链式原位纳米压痕刻划材料力学性能测试平台，其特征在于：所述的柔性铰链单元由柔性铰链（10）、X、Y轴方向压电叠堆驱动器（19、20）、X、Y轴方向精密电容式位移传感器（5、7）和试件载物台（6）组成；所述柔性铰链（10）固定安装在Y轴方向精密定位机构（9）上，柔性铰链（10）上装有两个相互垂直的X、Y轴方向压电叠堆驱动器（19、20），两个相互垂直X、Y轴方向压电叠堆驱动器（19、20）输出的超精密位移通过柔性铰链单元（10）的一级杠杆放大之后，通过四连杆机构分别输出X方向和Y方向的最大50μm超精密的位移；同时X、Y轴方向精密电容式位移传感器（5、7）通过安装固定在柔性铰链（10）上，为两个相互垂直X、Y轴方向压电叠堆驱动器（19、20）提供精确的位移反馈；X、Y轴方向精密电容式位移传感器（5、7）、X、Y轴方向压电叠堆驱动器（19、20）、柔性铰链（10）一起构成一个超精密的闭环系统，实现X、Y轴方向同时超精密刻划加工。

5.根据权利要求3所述的柔性铰链式原位纳米压痕刻划材料力学性能测试平台，其特征在于：所述的精密力传感器（12）适时检测金刚石压头（11）压入材料内部的压力，并将检测到的力信号与位移信号整合，分析材料在微纳米尺度下的力学性能和损伤机理。

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