專(zhuān)利名稱(chēng)：精密納米壓痕測(cè)試裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光機(jī)電一體化的精密科學(xué)儀器領(lǐng)域，特別涉及一種精密納米壓痕測(cè)試
裝置O
背景技術(shù)：
納米壓痕/劃痕測(cè)試技術(shù)主要是通過(guò)連續(xù)記錄載荷和壓入深度從而獲得載荷-壓入深度關(guān)系曲線(xiàn)，最終通過(guò)分析曲線(xiàn)獲得被測(cè)材料的硬度和彈性模量等參數(shù)。測(cè)試過(guò)程中避免了對(duì)壓痕位置的尋找和壓痕殘余面積的測(cè)量，可以大大減小測(cè)試的誤差。通過(guò)壓痕測(cè)試獲取壓入載荷和壓入深度數(shù)據(jù)，之后繪制相應(yīng)的載荷-深度關(guān)系曲線(xiàn)，通過(guò)合適的力學(xué)模型及推導(dǎo)，可以從該曲線(xiàn)分析得到豐富的力學(xué)參數(shù)信息。目前納米壓痕測(cè)試已經(jīng)可以獲得硬度、彈性模量、應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)、斷裂韌性、蠕變特性、疲勞特性、粘附性等參數(shù)，納米劃痕測(cè)試則可以獲得薄膜的臨界附著力和摩擦系數(shù)等。原位納米力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用于薄膜、 多相材料及其晶界、復(fù)合材料及其界面、MEMS、生物材料等各種材料在納米尺度上的力學(xué)性能表征，可實(shí)現(xiàn)精確定位條件下的原位測(cè)試。利用它，可以在納米尺度上開(kāi)展材料力學(xué)行為的研究，是研究材料納米尺度力學(xué)性能和損傷機(jī)制的有效方法，且具有很好的發(fā)展?jié)摿?。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)。利用電致/磁致伸縮材料、形狀記憶合金、壓電陶瓷、音圈電機(jī)等可以實(shí)現(xiàn)精密驅(qū)動(dòng)。近年來(lái)， 隨著對(duì)高速、高精度定位系統(tǒng)性能要求的提高和音圈電機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，音圈電機(jī)被廣泛用在磁盤(pán)、激光唱片定位等精密定位系統(tǒng)中。在納米級(jí)變形的檢測(cè)上，目前主要通過(guò)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，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(guò)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。有不少研究采用壓痕技術(shù)來(lái)確定材料的力學(xué)性能，國(guó)外相關(guān)研究者設(shè)計(jì)的壓痕裝置，如Bangert和Wagendristel設(shè)計(jì)的壓痕裝置，該裝置可以放于掃描電鏡真空腔內(nèi)，但他們并沒(méi)有進(jìn)行實(shí)際壓痕過(guò)程的原位監(jiān)測(cè)，實(shí)際上，他們?cè)O(shè)計(jì)的儀器是為了克服種種限制因素，如定位精度以及對(duì)微小載荷(50μΝ-20πιΝ)下壓痕痕跡的檢測(cè)問(wèn)題。其主要缺陷在于缺少載荷和位移傳感器，所以無(wú)法得到材料的力學(xué)機(jī)械性能與微觀(guān)組織演變的關(guān)系；美國(guó)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)和美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LBNL)的M. A. Wall 等人率先研制的一種通過(guò)齒輪馬達(dá)和壓電元件實(shí)現(xiàn)精密驅(qū)動(dòng)的原位納米壓痕裝置，其主要缺陷是由于不能檢測(cè)加載力導(dǎo)致無(wú)法測(cè)試材料力學(xué)參數(shù)，不能研究載荷作用對(duì)材料變形損傷的影響規(guī)律；A. M. Minor等的裝置通過(guò)施加在壓電元件上的電壓與其變形量關(guān)系經(jīng)換算得到加載力，造成測(cè)試復(fù)雜、離線(xiàn)操作環(huán)節(jié)過(guò)多，還存在加載力換算的模型誤差和參數(shù)誤差，影響了測(cè)試結(jié)果在量值上的可信性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種精密納米壓痕測(cè)試裝置，并且在掃描電鏡(SEM)下進(jìn)行壓痕試驗(yàn)，獲取材料的力學(xué)性能參數(shù)，通過(guò)原位監(jiān)測(cè)對(duì)載荷作用下材料的變形損傷，研究其變形損傷機(jī)制及其與載荷作用和材料性能間的相關(guān)性規(guī)律，解決了裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、總體尺寸大而不易實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)檢測(cè)的問(wèn)題，并且解決了現(xiàn)有的對(duì)材料機(jī)械性能測(cè)量和檢測(cè)微觀(guān)形貌是相互獨(dú)立且分離的問(wèn)題。本發(fā)明的上述目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)
精密納米壓痕測(cè)試裝置，包括精密壓入驅(qū)動(dòng)單元、載荷信號(hào)檢測(cè)單元和位移信號(hào)的檢測(cè)單元；所述精密壓入驅(qū)動(dòng)單元包括音圈電機(jī)14、連接件13、連接板1、導(dǎo)軌7及滑塊8，該音圈電機(jī)14、導(dǎo)軌7分別固定在底座6上，連接件13與音圈電機(jī)14相連接，該連接件13通過(guò)螺栓與連接板1相連接，連接板1連接在滑塊8上，該滑塊8與導(dǎo)軌7滑動(dòng)連接；通過(guò)音圈電機(jī)14驅(qū)動(dòng)連接板1，從而實(shí)現(xiàn)滑塊8在導(dǎo)軌7上直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)；
所述載荷信號(hào)檢測(cè)單元包括金剛石壓頭2、載物臺(tái)3、精密力學(xué)傳感器4及側(cè)板I 5，該精密力學(xué)傳感器4通過(guò)側(cè)板I 5固定在底座6上，載物臺(tái)3與精密力學(xué)傳感器4連接，金剛石壓頭2固定在連接板1上；
所述位移信號(hào)檢測(cè)單元包括側(cè)板II 11及光柵傳感器的光柵尺12和讀數(shù)頭10，該讀數(shù)頭10通過(guò)螺栓與側(cè)板II 11連接，該側(cè)板II 11固定在底座6上；光柵尺12通過(guò)連接片9與連接件13粘接，音圈電機(jī)14驅(qū)動(dòng)從而帶動(dòng)連接件13直線(xiàn)移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了光柵尺12移動(dòng)。所述的側(cè)板II 11結(jié)構(gòu)為L(zhǎng)型，所以便于調(diào)節(jié)讀數(shù)頭10與光柵尺12的相對(duì)位置和平行度。所述的精密納米壓痕測(cè)試裝置的材質(zhì)為鋁合金。本發(fā)明是一種集驅(qū)動(dòng)、加載、檢測(cè)、微納米級(jí)力學(xué)性能測(cè)試為一體的高性能精密測(cè)試系統(tǒng)，并且可以在顯微成像儀器的腔體中進(jìn)行原位測(cè)試?？蓱?yīng)用各類(lèi)試件或材料的微觀(guān)力學(xué)性能測(cè)試中的納米壓痕、原位納米壓痕測(cè)試。本發(fā)明采用光柵位移傳感器來(lái)檢測(cè)位移信號(hào)，這使得整個(gè)裝置結(jié)構(gòu)充分簡(jiǎn)化，其測(cè)量輸出的信號(hào)為數(shù)字脈沖，具有檢測(cè)范圍大，檢測(cè)精度高，響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。采用音圈電機(jī)和光柵位移傳感器，使該裝置的結(jié)構(gòu)得到充分簡(jiǎn)化，操作更加簡(jiǎn)單方便。本發(fā)明采用音圈電機(jī)進(jìn)行精密驅(qū)動(dòng)，音圈電機(jī)(Voice Coil Actuator)是一種特殊形式的直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、高速、高加速、大行程、 響應(yīng)快等特性，并具有線(xiàn)性力-行程特性和較高的電-機(jī)能量轉(zhuǎn)化率，在大行程內(nèi)都具有高的位移分辨率。這些屬性使音圈電機(jī)具有平滑可控性，成為應(yīng)用在各種形式伺服模式中的理想裝置，更適用于要求快速高精度定位的控制系統(tǒng)。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(lèi)試件或材料的微觀(guān)力學(xué)性能參數(shù)的專(zhuān)用測(cè)試儀器，由于測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)充分微小型化，所以可以利用掃描電鏡(SEM)、透射電鏡 (TEM)等精密測(cè)試儀器，實(shí)現(xiàn)材料微觀(guān)力學(xué)性能的在線(xiàn)觀(guān)測(cè)和分析。并可以研究被測(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，對(duì)新材料新工藝、精密光學(xué)、微電子技術(shù)及半導(dǎo)體技術(shù)、汽車(chē)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。本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明提出的位移檢測(cè)技術(shù)達(dá)到納米級(jí)、加載力分辨率達(dá)到微牛級(jí)；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便、體積較小，定位精度高、響應(yīng)迅速、并且可以在電鏡下原位觀(guān)測(cè)壓入過(guò)程中材料的變形過(guò)程和損傷機(jī)理，從而更加直觀(guān)的了解材料的微納米力學(xué)性
4能。本發(fā)明可以為檢測(cè)材料性能參數(shù)提供有效的方法和實(shí)驗(yàn)設(shè)備，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。


圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明的俯視示意圖。圖3是本發(fā)明的精密壓入驅(qū)動(dòng)單元的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本發(fā)明的連接件的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1.連接板，2.金剛石壓頭，3.載物臺(tái)，4.精密力學(xué)傳感器，5.側(cè)板I，6.底座，7.導(dǎo)軌，8.滑塊，9.連接片，10.讀數(shù)頭，11.側(cè)板II，12.光柵尺，13.連接件，14.音圈電機(jī)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的詳細(xì)內(nèi)容及其具體實(shí)施方式
。參見(jiàn)圖1至圖4，本發(fā)明的精密納米壓痕測(cè)試裝置包括精密壓入驅(qū)動(dòng)單元、載荷信號(hào)檢測(cè)單元和位移信號(hào)的檢測(cè)單元；所述精密壓入驅(qū)動(dòng)單元包括音圈電機(jī)14、連接件13、 連接板1、導(dǎo)軌7及滑塊8，該音圈電機(jī)14、導(dǎo)軌7分別固定在底座6上，連接件13與音圈電機(jī)14相連接，該連接件13通過(guò)螺栓與連接板1相連接，連接板1連接在滑塊8上，該滑塊8 與導(dǎo)軌7滑動(dòng)連接；通過(guò)音圈電機(jī)14驅(qū)動(dòng)連接板1，從而實(shí)現(xiàn)滑塊8在導(dǎo)軌7上直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)；
所述載荷信號(hào)檢測(cè)單元包括金剛石壓頭2、載物臺(tái)3、精密力學(xué)傳感器4及側(cè)板I 5，該檢測(cè)金剛石壓頭壓入材料壓力的精密力學(xué)傳感器4通過(guò)側(cè)板I 5固定在底座6上，載物臺(tái) 3與精密力學(xué)傳感器4連接，金剛石壓頭2固定在連接板1上；
所述位移信號(hào)檢測(cè)單元包括側(cè)板II 11及光柵傳感器的光柵尺12和讀數(shù)頭10，該讀數(shù)頭10通過(guò)螺栓與側(cè)板II 11連接，該側(cè)板II 11固定在底座6上；光柵尺12通過(guò)連接片9與連接件13粘接，音圈電機(jī)14驅(qū)動(dòng)從而帶動(dòng)連接件13直線(xiàn)移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了光柵尺12移動(dòng)。所述的側(cè)板II 11結(jié)構(gòu)為L(zhǎng)型，所以便于調(diào)節(jié)讀數(shù)頭10與光柵尺12的相對(duì)位置和平行度。所述的精密納米壓痕測(cè)試裝置的材質(zhì)為鋁合金，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于加工，并且測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)充分微小型化，所以可以利用掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)等精密測(cè)試儀器，實(shí)現(xiàn)材料微觀(guān)力學(xué)性能的在線(xiàn)觀(guān)測(cè)和分析。連接片9用雙面膠貼在連接件13上，而光柵尺12貼在連接片9上，這樣設(shè)計(jì)是因?yàn)檫B接片9容易拆卸，可以重復(fù)使用，不僅局限于這個(gè)裝置，也可以在別的裝置上使用光柵尺。本發(fā)明實(shí)施原位納米壓痕測(cè)試的被測(cè)試件為特征尺寸在毫米級(jí)以上的三維試件。本發(fā)明是一種高性能精密測(cè)試系統(tǒng)，因?yàn)橄到y(tǒng)要求快速高精度定位，所以選擇音圈電機(jī)14作為驅(qū)動(dòng)單元，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、高加速、響應(yīng)快等特性，具有平滑可控性。音圈電機(jī)14作為直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，從而推動(dòng)連接板1運(yùn)動(dòng)，而連接板1與滑塊8相連接， 并且金剛石壓頭2安裝在連接板1端部，所以可以實(shí)現(xiàn)金剛石壓頭2平穩(wěn)進(jìn)給。精密力學(xué)傳感器4固定端與側(cè)板I 5連接，另一端與載物臺(tái)3連接，側(cè)板I 5固定在底座6上，金剛石壓頭2與載物臺(tái)3通過(guò)安裝就可以保證相互垂直。通過(guò)軟件編程控制音圈電機(jī)14帶動(dòng)連接板1進(jìn)給就可完成對(duì)試件的壓痕實(shí)驗(yàn)。通過(guò)軟件編程控制A/D采集卡將精密力學(xué)傳感器4輸出的力信號(hào)采集到計(jì)算機(jī)里，從而獲得壓痕實(shí)驗(yàn)的載荷——深度曲線(xiàn)。參見(jiàn)圖1所示，音圈電機(jī)14、導(dǎo)軌7、側(cè)板I 5、側(cè)板II 11裝配在底座6上，精密力學(xué)傳感器4安裝在側(cè)板I 5上，光柵傳感器讀數(shù)頭10安裝在側(cè)板II 11上，光柵尺12貼在連接片9上，而連接片9貼在連接件13上。參閱圖2所示，載物臺(tái)3安裝在精密力學(xué)傳感器4上，金剛石壓頭2安裝在連接板 1端部。參見(jiàn)圖3、圖4所示，精密壓入驅(qū)動(dòng)單元由音圈電機(jī)14、連接件13、連接板1、導(dǎo)軌 7、滑塊8組成，其中音圈電機(jī)14、導(dǎo)軌7安裝在底座6上，連接件13與音圈電機(jī)14相連接， 又通過(guò)螺栓與連接板1相連接，連接板1安裝在滑塊8上。通過(guò)音圈電機(jī)14驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)滑塊8在導(dǎo)軌7上直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。
權(quán)利要求
1.一種精密納米壓痕測(cè)試裝置，其特征在于包括精密壓入驅(qū)動(dòng)單元、載荷信號(hào)檢測(cè)單元和位移信號(hào)的檢測(cè)單元；所述精密壓入驅(qū)動(dòng)單元包括音圈電機(jī)(14)、連接件(13)、連接板(1)、導(dǎo)軌(7)及滑塊(8)，該音圈電機(jī)(14)、導(dǎo)軌(7)分別固定在底座(6)上，連接件 (13)與音圈電機(jī)(14)相連接，該連接件(13)通過(guò)螺栓與連接板(1)相連接，連接板(1)連接在滑塊(8)上，該滑塊(8)與導(dǎo)軌(7)滑動(dòng)連接；所述載荷信號(hào)檢測(cè)單元包括金剛石壓頭(2)、載物臺(tái)(3)、精密力學(xué)傳感器(4)及側(cè)板 I (5)，該精密力學(xué)傳感器(4)通過(guò)側(cè)板I (5)固定在底座(6)上，載物臺(tái)(3)與精密力學(xué)傳感器(4 )連接，金剛石壓頭(2 )固定在連接板(1)上；所述位移信號(hào)檢測(cè)單元包括側(cè)板II (11)及光柵傳感器的光柵尺(12)和讀數(shù)頭(10)， 該讀數(shù)頭(10)通過(guò)螺栓與側(cè)板II (11)連接，該側(cè)板II (11)固定在底座(6)上；光柵尺(12) 通過(guò)連接片(9 )與連接件(13 )粘接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的精密納米壓痕測(cè)試裝置，其特征在于所述的側(cè)板II(11)結(jié)構(gòu)為L(zhǎng)型。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的精密納米壓痕測(cè)試裝置，其特征在于所述精密納米壓痕測(cè)試裝置的材質(zhì)為鋁合金。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種精密納米壓痕測(cè)試裝置，屬于精密科學(xué)儀器領(lǐng)域。主要由精密壓入驅(qū)動(dòng)單元、載荷信號(hào)和位移信號(hào)的檢測(cè)單元、載物臺(tái)組成；精密壓入驅(qū)動(dòng)單元由音圈電機(jī)、連接件、導(dǎo)軌、滑塊組成，其中音圈電機(jī)和導(dǎo)軌安裝在底座上，檢測(cè)金剛石壓頭壓入材料壓力的精密力學(xué)傳感器通過(guò)側(cè)板Ⅰ安裝在底座上，用于檢測(cè)金剛石壓頭壓入深度精密位移傳感器通過(guò)側(cè)板Ⅱ安裝在底座上，載物臺(tái)安裝在精密力學(xué)傳感器上，金剛石壓頭安裝在連接板上，連接板通過(guò)螺釘裝配在滑塊上。優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便、體積較小，定位精度高、響應(yīng)迅速、并且可以在電鏡下原位觀(guān)測(cè)壓入過(guò)程中材料的變形過(guò)程和損傷機(jī)理，從而更加直觀(guān)的了解材料的微納米力學(xué)性能。
文檔編號(hào)G01N3/42GK102288501SQ20111020852
公開(kāi)日2011年12月21日 申請(qǐng)日期2011年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月25日
發(fā)明者劉長(zhǎng)勝, 張文爽, 楊建波, 王漢偉, 王赫, 米杰, 耿春陽(yáng), 趙宏偉, 黃虎 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)