專利名稱：超精密跨尺度原位納米壓痕刻劃測(cè)試系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種集驅(qū)動(dòng)、加載、檢測(cè)、微納米級(jí)力學(xué)性能測(cè)試、超精密刻劃加工和原位 觀察為一體的高性能綜合精密實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，尤其涉及各類試件或材料的微觀力學(xué)性能測(cè)試 中的納米壓/劃痕實(shí)驗(yàn)、原位納米壓/劃痕實(shí)驗(yàn)和微納米級(jí)原位金剛石刻劃加工的裝置，屬集 光機(jī)電一體化的精密科學(xué)儀器。精密儀器是科技創(chuàng)新和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的基石與重要保障，本 發(fā)明是用于測(cè)定表征各類試件或材料的微觀力學(xué)性能參數(shù)的專用測(cè)試儀器，并可在高分辨率 數(shù)字顯微成像系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)下研究被測(cè)試件或材料在載荷作用下的力學(xué)行為、損傷機(jī)制及 其與載荷作用和材料性能間的相關(guān)性規(guī)律，并可用于分析研究精密光柵元件的金剛石刻劃加 工機(jī)理及工藝優(yōu)化等問題，對(duì)新材料新工藝、精密光學(xué)、微電子技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)、汽車飛 機(jī)關(guān)鍵零部件制造、鋼鐵冶金、生物醫(yī)學(xué)工程、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)、納米工程和國(guó) 防軍工等高技術(shù)產(chǎn)業(yè)集群的發(fā)展具有極為重要的支撐推動(dòng)作用和廣闊的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用價(jià)值。
背景技術(shù)：
微納米級(jí)材料力學(xué)性能的測(cè)試技術(shù)主要包括納米壓痕(Nanoindentation)、納米劃痕 (Nanoscratch)、原子力顯微鏡(AFM)、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)專用測(cè)試技術(shù)(如微拉伸等) 及相關(guān)支撐技術(shù)等。按照測(cè)試中是否可通過電子顯微鏡等儀器在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)材料的變形和損 傷狀況，又可分為原位(/" W加)測(cè)試和非原位(五;c W加)測(cè)試。所謂的原位(或在位)測(cè) 試，是指對(duì)被測(cè)件力學(xué)性能測(cè)試中進(jìn)行的在線連續(xù)監(jiān)測(cè)和分析；與之對(duì)應(yīng)的是非原位測(cè)試(又 稱異位或移位測(cè)試)，是指利用實(shí)驗(yàn)前或?qū)嶒?yàn)后的試件進(jìn)行力學(xué)性能分析。目前絕大多數(shù)的 納米力學(xué)研究停留在非原位測(cè)試技術(shù)上。微型機(jī)電系統(tǒng)/納米機(jī)電系統(tǒng)(MEMS/NEMS)元 件專用測(cè)試技術(shù)應(yīng)用范圍存在局限性；而傳統(tǒng)力學(xué)性能測(cè)試手段因其測(cè)試精度難以達(dá)到納米 級(jí)；限于篇幅，這里對(duì)這兩方面的研究情況不做贅述。
(1)、納米力學(xué)性能測(cè)試中的支撐技術(shù)一精密驅(qū)動(dòng)與檢測(cè)技術(shù)
納米級(jí)精密驅(qū)動(dòng)(或定位)技術(shù)和檢測(cè)技術(shù)是現(xiàn)代高科技領(lǐng)域的重要支撐技術(shù)。自上世 紀(jì)中后期以來，出現(xiàn)了利用電致/磁致伸縮材料、形狀記憶合金、壓電陶瓷等實(shí)現(xiàn)精密驅(qū)動(dòng) 的研究。由于壓電元件具有分辨率高、無電磁干擾、易于微小型化等優(yōu)點(diǎn)，利用壓電元件實(shí) 現(xiàn)精密驅(qū)動(dòng)的研究受到學(xué)術(shù)界和工程界的關(guān)注，并對(duì)慣性沖擊式、尺蠖式、粘滑式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 和微位移工作臺(tái)等多種壓電驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行了深入的研究，這些研究成果在超精加工、微細(xì)操作、 精密儀器、生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域展現(xiàn)了較為廣闊的應(yīng)用前景。在納米級(jí)變形的檢測(cè)上，目前 主要通過光學(xué)三角法、干涉法、電容式檢測(cè)等手段實(shí)現(xiàn)；而在微載荷的檢測(cè)上，研究人員主 要利用敏感元件將載荷力轉(zhuǎn)換為彈性元件的微變形，進(jìn)而通過對(duì)變形量或由變形引起的電容(或應(yīng)變)變化量進(jìn)行檢測(cè)得到加載力。
(2) 、納米壓痕、納米劃痕等測(cè)試技術(shù)
在非原位納米力學(xué)測(cè)試技術(shù)中，以納米壓痕、納米劃痕等最具代表性。納米壓痕測(cè)試中， 通過分析載荷力、試件變形和"載荷-變形曲線"，可以測(cè)得試件的硬度、彈性模量等參數(shù)， 結(jié)合電子顯微鏡等儀器可以發(fā)現(xiàn)材料已發(fā)生的變形和損傷狀況。在納米壓痕儀等技術(shù)的基礎(chǔ) 上，產(chǎn)生了納米劃痕技術(shù)；與納米壓痕不同之處在于納米劃痕技術(shù)增加了在劃痕方向上的精 密定位與位移檢測(cè)功能。目前，我國(guó)還不具備具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的這類技術(shù)。
就納米壓痕、納米劃痕等非原位力學(xué)測(cè)試技術(shù)，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校和勞倫斯-伯 克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的A.M. Minor等人指出了其存在的不足由于無法在電子掃描顯微鏡和透射 電子顯微鏡(SEM、 TEM)下進(jìn)行高分辨率原位監(jiān)測(cè)，因此不能研究變形、損傷狀況與載荷 作用和材料性能參數(shù)間的相關(guān)性規(guī)律；清華大學(xué)溫詩(shī)鑄教授也指出目前對(duì)于材料變形和損 傷機(jī)制及其與性能參數(shù)間的相關(guān)性規(guī)律方面缺乏深入的研究，而這又是微小元件設(shè)計(jì)制造環(huán) 節(jié)迫切需要的。此外，這類儀器對(duì)溫度等因素較敏感，工作環(huán)境苛刻，也無法研究溫度效應(yīng) 對(duì)材料加工性能的影響；設(shè)備價(jià)格昂貴、測(cè)試成本高，國(guó)外出于軍事和高技術(shù)附加值領(lǐng)域的 產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用考慮，高端儀器設(shè)備還對(duì)我國(guó)封銷、禁運(yùn)。
(3) 、原位(/"wY")納米力學(xué)性能測(cè)試技術(shù) 近幾年國(guó)外在一維納米結(jié)構(gòu)和三維試件的原位納米力學(xué)測(cè)試研究上取得了一些標(biāo)志性
的研究成果，受到國(guó)際工程界和學(xué)術(shù)界的重視，并得到有關(guān)政府部門的資助。
美國(guó)勞倫斯-利弗莫爾(Lawrence Livermore)和勞倫斯-伯克利(Lawrence Berkeley)兩 個(gè)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員在美國(guó)能源部資助下，通過齒輪馬達(dá)和壓電元件進(jìn)行精密定位率先 在電鏡下開展了原位納米壓痕測(cè)試。限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平，該裝置結(jié)構(gòu)較大、定位精度不足； 只能監(jiān)測(cè)材料的變形行為和損傷狀況，無法測(cè)試力學(xué)參數(shù)；但這項(xiàng)研究卻具有里程碑性的意 義，使得原位監(jiān)測(cè)材料的納米尺度變形、損傷機(jī)制問題成為可能。此后，研究人員通過壓電 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)推動(dòng)摻雜的金剛石工具頭實(shí)現(xiàn)了在電鏡真空腔內(nèi)的原位納米壓痕測(cè)試，并分別對(duì)單 晶硅等材料進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，監(jiān)測(cè)了壓痕載荷下材料發(fā)生變形和內(nèi)部出現(xiàn)缺陷的全過程，但他們 的工作也存在一些不足①變形量(或位移量)是通過電鏡觀察得到的，②加載力是通過 施加在壓電元件上的電壓與其變形量的關(guān)系換算得到的；因而導(dǎo)致測(cè)試復(fù)雜、離線操作環(huán)節(jié) 過多，并降低了測(cè)試結(jié)果的可信度。
瑞士聯(lián)邦學(xué)院(Swiss Federal Institute) J. Michler等人在歐洲框架計(jì)劃資助下，研制了 由多個(gè)運(yùn)動(dòng)模塊組裝而成的原位納米劃痕測(cè)試平臺(tái)，該平臺(tái)采用基于粘滑驅(qū)動(dòng)機(jī)理的壓電驅(qū) 動(dòng)機(jī)構(gòu)作為精密定位模塊；利用該平臺(tái)在電鏡下對(duì)砷化鎵等進(jìn)行了原位納米劃痕測(cè)試，全程 監(jiān)測(cè)了錐形金剛石工具頭作用下材料的切屑、裂紋分布情況。但該研究也存在一些不足① 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)工作中存在無法克服的后沖(backlash)現(xiàn)象(后沖幅度達(dá)30-100nm);②加載分 辨率不足(為100mN)，③無法檢測(cè)切向劃痕力。在UC Berkeley和Lawrence Berkeley國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)支持下，Hysitron公司將PI95
型原位納米壓痕儀推向了市場(chǎng)，該產(chǎn)品由壓電驅(qū)動(dòng)裝置推動(dòng)金剛石工具頭實(shí)現(xiàn)在透射電子顯 微鏡(TEM)監(jiān)測(cè)下的原位壓痕測(cè)試，由于具有高技術(shù)附加值，該產(chǎn)品價(jià)格高達(dá)25萬(wàn)美金 (USD),且出于軍工和高技術(shù)附加值領(lǐng)域應(yīng)用考慮對(duì)我國(guó)封銷禁運(yùn)。包括Hysitron公司在 內(nèi)的上述工作主要集中在低維納米結(jié)構(gòu)(如納米管、納米薄膜和納米球等)的力學(xué)性能測(cè)試 上，取得了一系列具有里程碑意義的標(biāo)志性研究成果，并有力推動(dòng)了微電子技術(shù)、微機(jī)電系 統(tǒng)和納米技術(shù)等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
綜上所述，原位納米力學(xué)測(cè)試被國(guó)際學(xué)術(shù)界和工程界普遍認(rèn)為是嶄新的、最具發(fā)展?jié)摿?的研究材料納米尺度力學(xué)性能和損傷機(jī)制的有效方法，近幾年受到國(guó)際工程界、學(xué)術(shù)界和有 關(guān)政府部門的高度重視。目前原位納米力學(xué)測(cè)試的商業(yè)化產(chǎn)品僅有美國(guó)Hysitron公司生產(chǎn)， 價(jià)格十分昂貴，還對(duì)我國(guó)禁運(yùn)；且這些原位納米力學(xué)測(cè)試由于受特定因素或?qū)ｉT用途的限制， 結(jié)構(gòu)極微小的專門試件還必須通過"掩膜、腐蝕、沉積"等復(fù)雜繁瑣的工藝制作，無法對(duì)特征 尺寸毫米級(jí)以上的三維試件開展測(cè)試。由于測(cè)試中的尺度效應(yīng)等因素，利用對(duì)極微小試件的 測(cè)試結(jié)果去評(píng)價(jià)衡量較大尺寸三維試件的綜合力學(xué)性能缺乏可信性。
本發(fā)明以研究試件材料微觀力學(xué)性能、損傷機(jī)制的精密高效測(cè)試技術(shù)為對(duì)象，提出針對(duì) 特征尺寸毫米級(jí)以上三維試件的原位納米壓痕/刻劃測(cè)試的新技術(shù)和新方法，開展研究開發(fā) 并推進(jìn)其產(chǎn)業(yè)化，迅速填補(bǔ)我國(guó)這一領(lǐng)域的空白，并在國(guó)際范圍內(nèi)占據(jù)一席之地。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于設(shè)計(jì)一種集驅(qū)動(dòng)、加載、檢測(cè)、微納米級(jí)力學(xué)性能測(cè)試、超精密刻劃 加工和原位觀察為一種超精密跨尺度原位納米壓痕刻劃測(cè)試系統(tǒng)，它由具有X、 Y軸精密定 位的載物臺(tái)、Z軸方向的宏動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)和精密壓入驅(qū)動(dòng)單元、用于檢測(cè)壓入深度Z方向金剛 石刀具的運(yùn)動(dòng)位移和X、 Y方向載物臺(tái)的位移的精密位移傳感器I7、用于檢測(cè)金剛石刀具 壓入材料內(nèi)部的壓力的精密力學(xué)傳感器和用于觀測(cè)和存儲(chǔ)力學(xué)測(cè)試過程中材料的變形、損傷 狀況的精密顯微成像系統(tǒng)和數(shù)字成像系統(tǒng)組成。具有X、 Y軸精密定位的載物臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)工 件在X、 Y軸方向上的精密進(jìn)給，Z軸方向的宏動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)能夠快速調(diào)整金剛石刀具和工件 間的位置，精密壓入驅(qū)動(dòng)單元能夠?qū)崿F(xiàn)金剛石刀具向材料內(nèi)部壓入，精密顯微成像系統(tǒng)和數(shù) 字成像系統(tǒng)用于觀測(cè)和存儲(chǔ)力學(xué)測(cè)試過程中材料的變形、損傷狀況。
本發(fā)明的上述目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)
一種超精密跨尺度原位納米壓痕刻劃測(cè)試系統(tǒng)，主要由具有X、 Y軸精密定位的載物臺(tái) 11、 Z軸方向的宏動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)和精密壓入驅(qū)動(dòng)單元15以及用于觀測(cè)和存儲(chǔ)力學(xué)測(cè)試過程中 材料的變形、損傷狀況的精密顯微成像系統(tǒng)和數(shù)字成像系統(tǒng)組成，所述的載物臺(tái)11、 Z軸方 向的宏動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)和精密壓入驅(qū)動(dòng)單元均固定在底座12上，精密顯微成像系統(tǒng)和數(shù)字成像 系統(tǒng)裝在載物臺(tái)11之上，用于檢測(cè)金剛石刀具壓入材料內(nèi)部的壓力的精密力學(xué)傳感器10和 用于檢測(cè)X、 Y方向載物臺(tái)的微小位移的精密位移傳感器I 7裝在載物臺(tái)11上，用于檢測(cè)壓
6入深度Z方向金剛石刀具的運(yùn)動(dòng)位移的精密位移傳感器I123通過支架I 13安裝在底座12 上。
所述的載物臺(tái)11主要由微動(dòng)臺(tái)、音圈電機(jī)25和精密滾動(dòng)導(dǎo)軌8組成，所述的微動(dòng)臺(tái)固 定在底座12和連接板I6之間，音圈電機(jī)25和精密滾動(dòng)導(dǎo)軌8固定在連接板I6上，并通 過連接板I 6上的兩組U型槽定位，音圈電機(jī)25通過連桿27驅(qū)動(dòng)導(dǎo)軌滑塊4沿精密滾動(dòng)導(dǎo) 軌8移動(dòng)，精密力學(xué)傳感器10下端通過過度元件9安裝在導(dǎo)軌滑塊4上，精密力學(xué)傳感器 10上端與載物臺(tái)11的上臺(tái)板連接，精密位移傳感器I 7通過安裝架I 5安裝連接板I 6上。
所述的載物臺(tái)11在X軸方向上通過音圈電機(jī)25精密定位，載物臺(tái)在X軸方向上的微 小位移通過精密位移傳感器I7檢測(cè)，精密位移傳感器I7檢測(cè)到的位移信號(hào)作為音圈電機(jī) 25控制電源的反饋信號(hào)，對(duì)劃痕實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行閉環(huán)控制；載物臺(tái)在Y軸方向上通過測(cè)微絲 杠I 1進(jìn)行精密定位和微小位移的檢測(cè)。
所述的載物臺(tái)11下面裝有精密力學(xué)傳感器10，適時(shí)檢測(cè)金剛石刀具32壓入材料內(nèi)部 的壓力，并將檢測(cè)到的力信號(hào)作為壓電疊堆驅(qū)動(dòng)器31電源的反饋信號(hào)，形成閉環(huán)控制。
所述的Z軸方向的宏動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)由一豎直安裝的精密微動(dòng)臺(tái)和連接板I116組成，微動(dòng) 臺(tái)底座I118固定在豎板19上，連接板I116與微動(dòng)臺(tái)滑臺(tái)I117固定連接，精密壓入驅(qū)動(dòng)單 元15固定安裝在連接板I116上，Z軸方向金剛石刀具32通過調(diào)整精密微動(dòng)臺(tái)的測(cè)微絲杠 II20進(jìn)行宏動(dòng)調(diào)整。
所述的精密壓入驅(qū)動(dòng)單元15主要由柔性鉸鏈29、壓電疊堆驅(qū)動(dòng)器30、 31、金剛石刀具 32、組成，柔性鉸鏈29固定安裝到Z軸方向的宏動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)的連接板II16上，并采用單體 多自由度，能實(shí)現(xiàn)金剛石刀具32在Y軸和Z軸兩個(gè)方向上的精密進(jìn)給，柔性鉸鏈29上裝 有兩組壓電疊堆驅(qū)動(dòng)器30、 31，金剛石刀具32通過鎖緊螺釘33與柔性鉸鏈29的懸臂連接 在一起。
精密位移傳感器I123固定安裝在安裝座14上，安裝座14與支架I 13之間和支架I 13 與底座12之間通過滑槽螺栓連接，且在Y、 Z軸上的相互位置可調(diào)。
所述的用于觀測(cè)的精密顯微成像系統(tǒng)和數(shù)字成像系統(tǒng)主要由高倍率的放大鏡頭26和 CCD數(shù)字成像系統(tǒng)28組成，所述的高倍率的放大鏡頭26和CCD數(shù)字成像系統(tǒng)28安裝在 載物臺(tái)ll之上，并通過安裝架I124、支架III22和支架I121固定在豎板19上，安裝架I124 與支架III22之間軸連接。
本發(fā)明的技術(shù)效果是為特征尺寸毫米級(jí)以上三維試件材料(最大尺寸達(dá) 35mmx35mmx8mm)的硬度、彈性模量和刻劃抗力等力學(xué)參數(shù)的測(cè)定表征提供更為精準(zhǔn)的 測(cè)試方法，本發(fā)明提出的測(cè)試技術(shù)與方法其加載位移分辨率達(dá)到納米級(jí)、加載力分辨率達(dá)到 微牛級(jí)甚至更高；通過高分辨率數(shù)字顯微成像系統(tǒng)對(duì)測(cè)試中材料的發(fā)生變形損傷狀況進(jìn)行連 續(xù)的動(dòng)態(tài)原位監(jiān)測(cè)，為評(píng)價(jià)分析材料在載荷作用下的力學(xué)行為(或服役行為)提供更為準(zhǔn)確 有效的研究測(cè)試手段，為建立載荷作用下材料的變形損傷及其與載荷作用和材料性能間的相 關(guān)性規(guī)律提供技術(shù)手段；為復(fù)雜光柵結(jié)構(gòu)等的納米級(jí)金剛石刻劃加工提供優(yōu)化加工工藝的方
7法。本發(fā)明專利對(duì)材料科學(xué)、微電子技術(shù)、精密光學(xué)、薄膜技術(shù)、超精密加工技術(shù)和國(guó)防軍 工等領(lǐng)域?qū)⑵鸬酵苿?dòng)促進(jìn)作用。


附圖1是混合驅(qū)動(dòng)式納米力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)裝置主體部分機(jī)構(gòu)圖。
附圖2是具有X、 Y軸精密定位的載物臺(tái)11的機(jī)構(gòu)圖。
附圖3 (a)是音圈電機(jī)25、精密滾動(dòng)導(dǎo)軌8、精密力學(xué)傳感器10的安裝附圖3 (b)是圖3 (a)的A向視附圖3 (c)是圖3 (a)的B向視圖。
附圖4是Z軸方向的宏動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)圖。
附圖5是精密壓入驅(qū)動(dòng)單元15的機(jī)構(gòu)圖。
附圖6是用于檢測(cè)壓入深度Z方向金剛石刀具的運(yùn)動(dòng)位移的精密位移傳感器I123的安 裝機(jī)構(gòu)圖。
l.測(cè)微絲杠I， 2.微動(dòng)臺(tái)底座I， 3.微動(dòng)臺(tái)滑臺(tái)I， 4.導(dǎo)軌滑塊，5.安裝架I， 6.連接板 I， 7.精密位移傳感器I， 8.精密滾動(dòng)導(dǎo)軌，9.過度元件，IO.精密力學(xué)傳感器，ll.載物臺(tái)， 12.底座，13.支架I， 14.安裝座，15.精密壓入驅(qū)動(dòng)單元，16.連接板H， n.微動(dòng)臺(tái)滑臺(tái)n，
18.微動(dòng)臺(tái)底座n， 19.豎板，20.測(cè)微絲杠n， 21.支架n， 22.支架m， 23.精密位移傳感器n，
24.安裝架n， 25.音圈電機(jī)，26.高倍率的放大鏡頭，27.連桿，28 .CCD數(shù)字成像系統(tǒng)，29. 柔性鉸鏈，30、 31.壓電疊堆驅(qū)動(dòng)器，32.金剛石刀具，33.鎖緊螺釘。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖所示實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明的詳細(xì)內(nèi)容及其具體實(shí)施方式
。 本發(fā)明的一種高性能綜合精密實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，具有X、 Y軸精密定位的載物臺(tái)水平布置在底 座上，在Y軸方向上采用精密微動(dòng)臺(tái)作為驅(qū)動(dòng)，通過微動(dòng)臺(tái)的滑臺(tái)帶動(dòng)滑臺(tái)上的X軸精密 定位機(jī)構(gòu)，微動(dòng)臺(tái)具有較大的承載能力，運(yùn)行平穩(wěn)，易于控制。X軸精密定位機(jī)構(gòu)采用音圈 電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，采用精密位移傳感器來檢測(cè)微位移，通過將微位移信號(hào)反饋給音圈電機(jī)的控 制電源，能夠?qū)崿F(xiàn)閉環(huán)控制，可實(shí)現(xiàn)X軸方向的精密定位，自動(dòng)化程度高。精密力學(xué)傳感 器通過螺紋連接安裝在載物臺(tái)的下方，可實(shí)時(shí)檢測(cè)金剛石刀具壓入材料內(nèi)部的壓力。Z軸方 向的宏動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)采用精密微動(dòng)臺(tái)座微驅(qū)動(dòng)，通過微動(dòng)臺(tái)的滑臺(tái)帶動(dòng)滑臺(tái)上的精密壓入驅(qū)動(dòng) 單元，實(shí)驗(yàn)時(shí)可通過調(diào)整微動(dòng)臺(tái)的測(cè)微絲桿快速調(diào)整金剛石刀具和工件間的位置。精密壓入 驅(qū)動(dòng)單元的柔性鉸鏈采用單體多自由度的設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)的，能夠?qū)崿F(xiàn)金剛石刀具在Y軸和Z 軸兩個(gè)方向上的精密進(jìn)給，精密壓入驅(qū)動(dòng)單元還采用了壓電疊堆作為進(jìn)給的驅(qū)動(dòng)，具有分辨 率高、無電磁干擾、結(jié)構(gòu)微小等優(yōu)點(diǎn)。采用了精密位移傳感器來檢測(cè)金剛石刀具的進(jìn)給位移。 通過軟件編程控制A/D采集卡將位移傳感器輸出的位移信號(hào)和精密力學(xué)傳感器輸出的力信 號(hào)同步采集到計(jì)算機(jī)里，從而獲得壓痕實(shí)驗(yàn)的載荷一一深度曲線。通過軟件編程控制音圈電機(jī)帶動(dòng)載物臺(tái)沿X軸方向進(jìn)給就可完成試件的劃痕實(shí)驗(yàn)。調(diào)節(jié)Y軸方向的微動(dòng)臺(tái)上的測(cè)微 絲杠I 1就可使試件沿Y軸方向進(jìn)給，即可在試件上劃出多道劃痕。所述實(shí)驗(yàn)裝置上還安裝 了精密顯微成像系統(tǒng)和數(shù)字成像系統(tǒng)，可用于觀測(cè)和存儲(chǔ)力學(xué)測(cè)試過程中材料的變形、損傷 狀況。
參閱附圖1所示，底座12上布置有X、 Y軸精密定位的載物臺(tái)和用于檢測(cè)壓入深度Z 方向金剛石刀具的運(yùn)動(dòng)位移的精密位移傳感器I123，豎板19上設(shè)有Z軸方向的宏動(dòng)調(diào)整機(jī) 構(gòu)和精密壓入驅(qū)動(dòng)單元、用于觀測(cè)和存儲(chǔ)力學(xué)測(cè)試過程中材料的變形、損傷狀況的精密顯微 成像系統(tǒng)和數(shù)字成像系統(tǒng)。
附圖2是具有X、 Y軸精密定位的載物臺(tái)的機(jī)構(gòu)圖，連接板I6通過螺紋連接與微動(dòng)臺(tái) 的滑臺(tái)3連接在一起，參閱附圖3所示，連接板I6上開有兩組U型槽，用于音圈電機(jī)25 和精密滾動(dòng)導(dǎo)軌8的定位，以便保證兩者間的位置關(guān)系。音圈電機(jī)25和精密滾動(dòng)導(dǎo)軌8通 過螺紋連接與連接板I 6固連，音圈電機(jī)25通過連桿27帶動(dòng)精密滾動(dòng)導(dǎo)軌的滑塊4。參閱 附圖3所示，精密力學(xué)傳感器10的上、下兩端均有安裝螺紋，其中下端螺紋連接到過度元 件9上，過度元件9則通過螺紋連接安裝到精密滾動(dòng)導(dǎo)軌的滑塊4上，上端螺紋與載物臺(tái) ll連接。連接板I6上還裝有安裝架I5，用于安裝測(cè)量載物臺(tái)X軸方向位移的精密位移傳 感器I 7。
附圖4表示的是Z軸方向的宏動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)，微動(dòng)臺(tái)底座I118通過螺紋連接安裝在豎板 19上，連接板I116通過螺紋連接與微動(dòng)臺(tái)滑臺(tái)I117連接，整個(gè)精密壓入驅(qū)動(dòng)單元15則通 過螺紋連接安裝在連接板I116上，實(shí)驗(yàn)時(shí)可通過調(diào)整精密微動(dòng)臺(tái)的測(cè)微絲杠I120來實(shí)現(xiàn)Z 方向金剛石刀具的宏動(dòng)調(diào)整。
附圖5是精密壓入驅(qū)動(dòng)單元的機(jī)構(gòu)圖，柔性鉸鏈29通過螺紋連接安裝到Z軸方向的宏 動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)的連接板II16上，柔性鉸鏈上裝有兩組壓電疊堆驅(qū)動(dòng)器30、 31，金剛石刀具32 通過鎖緊螺釘33與柔性鉸鏈29的懸臂連接在一起。柔性鉸鏈29具有Y、 Z兩個(gè)自由度， 實(shí)驗(yàn)過程中，操作人員可通過控制壓電疊堆驅(qū)動(dòng)器的電源來控制金剛石刀具在Y、 Z兩個(gè)方 向上的精密進(jìn)給。
附圖6是用于檢測(cè)壓入深度Z方向金剛石刀具的運(yùn)動(dòng)位移的精密位移傳感器I123的安 裝機(jī)構(gòu)圖，精密位移傳感器I123通過螺紋連接安裝在安裝座14上，安裝座14與支架I13 通過螺栓連接，支架I 13通過螺栓連接到底座12上。支架I 13上開有兩道滑槽，連接安裝 座14和支架I 13的螺栓可在滑槽內(nèi)沿Z軸方向滑動(dòng)，連接支架I 13和底座12的螺栓可在 滑槽內(nèi)沿Y軸方向滑動(dòng)，從而使得精密位移傳感器I123具有Y、 Z兩個(gè)自由度，可方便調(diào) 整位移傳感器23和金剛石刀具32間的位置，保證采集到金剛石刀具32的位移信號(hào)。
在納米壓痕測(cè)試中，由于金剛石工具頭與試件間的接觸力通常為毫牛級(jí)甚至更低，機(jī)械 系統(tǒng)各環(huán)節(jié)變形量十分微小，工具頭壓入試件的深度可通過精密位移測(cè)試裝置測(cè)得，這里用 h表示壓頭的壓入深度；而壓痕過程中金剛石工具頭施加給試件表面的接觸載荷P可通過微 型力傳感器拾取(或通過簡(jiǎn)單換算得到)。
9根據(jù)接觸力學(xué)的相關(guān)知識(shí)，試件的接觸剛度s可表示為 S= ! (1)
、^」尸max
結(jié)合Oliver-Pharr的相關(guān)理論，壓痕測(cè)試卸載曲線頂部的載荷與對(duì)應(yīng)位移可擬合為一指 數(shù)函數(shù)關(guān)系
尸=蜂-(2)
式中a和w為擬合參數(shù).
對(duì)(2)式在最大載荷處進(jìn)行微分可得到試件的接觸剛度
另外，試件的接觸剛度還可由下式給出 S = 2￡r.j^ (4)
V兀
式中^為壓頭此刻與試件的接觸面積；^為折算模量
_L=lz^+lz^ (5)
A 五， 五；
式中A為試件的楊氏模量；五,為金剛石工具頭的楊氏模量；V,為試件的泊松比；為金
剛石工具頭的泊松比.
材料的微觀硬度可以表示為 // = 二 (6)
式中H為被測(cè)材料的硬度；P為金剛石工具頭施加在材料上的載荷；A金剛石工具頭壓入
材料的接觸面積，針對(duì)四棱錐金剛石工具頭^^4xs^(a^)x/z2，針對(duì)三棱錐金剛石工具頭
cos (a/2)
^3x^xt匿x力2，其中h為接觸深度，a為金剛石工具頭的中心軸線與其棱面的夾角. cos a
結(jié)合上述理論，借助納米壓痕試驗(yàn)測(cè)得的壓痕曲線和相關(guān)數(shù)據(jù)，可計(jì)算出被測(cè)材料試件的硬 度、彈性模量等性能參數(shù)，并可考察其蠕變等特性。
權(quán)利要求
1、一種超精密跨尺度原位納米壓痕刻劃測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，主要由具有X、Y軸精密定位的載物臺(tái)(11)、Z軸方向的宏動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)、精密壓入驅(qū)動(dòng)單元(15)、用于觀測(cè)和存儲(chǔ)力學(xué)測(cè)試過程中材料的變形、損傷狀況的精密顯微成像系統(tǒng)和數(shù)字成像系統(tǒng)組成，所述的載物臺(tái)(11)、Z軸方向的宏動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)和精密壓入驅(qū)動(dòng)單元均固定在底座(12)上，精密顯微成像系統(tǒng)和數(shù)字成像系統(tǒng)裝在載物臺(tái)(11)之上，用于檢測(cè)金剛石刀具壓入材料內(nèi)部的壓力的精密力學(xué)傳感器(10)和用于檢測(cè)X、Y方向載物臺(tái)的微小位移的精密位移傳感器I(7)裝在載物臺(tái)(11)上，用于檢測(cè)壓入深度Z方向金剛石刀具的運(yùn)動(dòng)位移的精密位移傳感器II(23)通過支架I(13)安裝在底座(12)上。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超精密跨尺度原位納米壓痕刻劃測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于， 所述的載物臺(tái)(11)主要由微動(dòng)臺(tái)、音圈電機(jī)(25)和精密滾動(dòng)導(dǎo)軌(8)組成，所述的微 動(dòng)臺(tái)固定在底座(12)和連接板I (6)之間，音圈電機(jī)(25)和精密滾動(dòng)導(dǎo)軌(8)固定在 連接板I (6)上，并通過連接板I (6)上的兩組U型槽定位，音圈電機(jī)(25)通過連桿(27)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)軌滑塊(4)沿精密滾動(dòng)導(dǎo)軌(8)移動(dòng)，精密力學(xué)傳感器(10)下端通過過度 元件(9)安裝在導(dǎo)軌滑塊(4)上，精密力學(xué)傳感器(10)上端與載物臺(tái)(11)的上臺(tái)板連 接，精密位移傳感器I (7)通過安裝架I (5)安裝在連接板I (6)上。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種超精密跨尺度原位納米壓痕刻劃測(cè)試系統(tǒng)，其特征 在于，所述的載物臺(tái)(11)在X軸方向上通過音圈電機(jī)(25)精密定位，載物臺(tái)在X軸方 向上的微小位移通過精密位移傳感器I (7)檢測(cè)，精密位移傳感器I (7)檢測(cè)到的位移信 號(hào)作為音圈電機(jī)(25)控制電源的反饋信號(hào)，對(duì)劃痕實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行閉環(huán)控制；載物臺(tái)在Y 軸方向上通過測(cè)微絲杠I (1)進(jìn)行精密定位和微小位移的檢測(cè)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種超精密跨尺度原位納米壓痕刻劃測(cè)試系統(tǒng)，其特征 在于，所述的載物臺(tái)(11)下面裝有精密力學(xué)傳感器(10)，適時(shí)檢測(cè)金剛石刀具(32)壓 入材料內(nèi)部的壓力，并將檢測(cè)到的力信號(hào)作為壓電疊堆驅(qū)動(dòng)器(31)電源的反饋信號(hào)，形成 閉環(huán)控制。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超精密跨尺度原位納米壓痕刻劃測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于， 所述的Z軸方向的宏動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)由一豎直安裝的精密微動(dòng)臺(tái)和連接板II (16)組成，微動(dòng)臺(tái)底座n (18)固定在豎板(19)上，連接板n (16)與微動(dòng)臺(tái)滑臺(tái)n (n)固定連接，精密壓入驅(qū)動(dòng)單元(15)固定安裝在連接板II (16)上，Z軸方向金剛石刀具(32)通過調(diào)整精密微動(dòng)臺(tái)的測(cè)微絲杠n (20)進(jìn)行宏動(dòng)調(diào)整。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的一種超精密跨尺度原位納米壓痕刻劃測(cè)試系統(tǒng)，其特征 在于，所述的精密壓入驅(qū)動(dòng)單元(15)主要由柔性鉸鏈(29)、壓龜疊堆驅(qū)動(dòng)器(30、 31)、 金剛石刀具(32)、組成，柔性鉸鏈(29)固定安裝到Z軸方向的宏動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)的連接板II(16)上，并采用單體多自由度，能實(shí)現(xiàn)金剛石刀具(32)在Y軸和Z軸兩個(gè)方向上的精 密進(jìn)給，柔性鉸鏈(29)上裝有兩組壓電疊堆驅(qū)動(dòng)器(30、 31)，金剛石刀具(32)通過鎖緊螺釘(33)與柔性鉸鏈(29)的懸臂連接在一起。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超精密跨尺度原位納米壓痕刻劃測(cè)試系統(tǒng)，其特征在用 于，精密位移傳感器II (23)固定安裝在安裝座(14)上，安裝座(14)與支架I (13)之 間和支架I (13)與底座(12)之間通過滑槽螺栓連接，且在Y、 Z軸上的相互位置可調(diào)。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超精密跨尺度原位納米壓痕刻劃測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于， 所述的用于觀測(cè)的精密顯微成像系統(tǒng)和數(shù)字成像系統(tǒng)主要由高倍率的放大鏡頭(26)和CCD 數(shù)字成像系統(tǒng)(28)組成，所述的高倍率的放大鏡頭(26)和CCD數(shù)字成像系統(tǒng)(28)安 裝在載物臺(tái)(11)之上，并通過安裝架II (24)、支架m (22)和支架II (21)固定在豎板(19)上，安裝架II (24)與支架III (22)之間通過軸連接。在高分辨率顯微成像系統(tǒng)下， 能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)納米壓痕/刻劃過程中載荷作用下材料發(fā)生的力學(xué)行為和損傷狀況實(shí)施動(dòng)態(tài)的原 位監(jiān)測(cè)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種集驅(qū)動(dòng)、加載、檢測(cè)、微納米級(jí)力學(xué)性能測(cè)試、超精密刻劃加工和原位觀察為一體的超精密跨尺度原位納米壓痕刻劃測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由沿X、Y軸方向精密定位的載物臺(tái)、Z軸方向的調(diào)整機(jī)構(gòu)和精密壓入驅(qū)動(dòng)單元、載荷信號(hào)和位移信號(hào)的檢測(cè)單元、用于觀測(cè)存儲(chǔ)測(cè)試過程中材料變形、損傷狀況的高分辨率數(shù)字顯微成像系統(tǒng)組成；載物臺(tái)、Z軸方向的調(diào)整機(jī)構(gòu)和精密壓入驅(qū)動(dòng)單元均裝配在底座上，高分辨率數(shù)字顯微成像系統(tǒng)裝在載物臺(tái)上，檢測(cè)金剛石工具頭壓入材料壓力的精密力學(xué)傳感器和檢測(cè)X、Y方向載物臺(tái)精密位移的傳感器I裝在載物臺(tái)上，用于檢測(cè)壓入深度Z方向金剛石工具頭精密位移的傳感器II通過支架I安裝在底座上。
文檔編號(hào)G01N3/46GK101520389SQ20091006669
公開日2009年9月2日 申請(qǐng)日期2009年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月27日
發(fā)明者趙宏偉, 趙宏健, 鄧金強(qiáng), 虎 黃 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)