專利名稱：超精密跨尺度原位納米壓痕刻劃測試系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種集驅(qū)動、加載、檢測、微納米級力學性能測試、超精密刻劃加工和原位 觀察為一體的高性能綜合精密實驗測試系統(tǒng)，尤其涉及各類試件或材料的微觀力學性能測試 中的納米壓/劃痕實驗、原位納米壓/劃痕實驗和微納米級原位金剛石刻劃加工的裝置，屬集 光機電一體化的精密科學儀器。精密儀器是科技創(chuàng)新和經(jīng)濟社會發(fā)展的基石與重要保障，本 發(fā)明是用于測定表征各類試件或材料的微觀力學性能參數(shù)的專用測試儀器，并可在高分辨率 數(shù)字顯微成像系統(tǒng)的實時監(jiān)測下研究被測試件或材料在載荷作用下的力學行為、損傷機制及 其與載荷作用和材料性能間的相關性規(guī)律，并可用于分析研究精密光柵元件的金剛石刻劃加 工機理及工藝優(yōu)化等問題，對新材料新工藝、精密光學、微電子技術和半導體技術、汽車飛 機關鍵零部件制造、鋼鐵冶金、生物醫(yī)學工程、微機電系統(tǒng)(MEMS)技術、納米工程和國 防軍工等高技術產(chǎn)業(yè)集群的發(fā)展具有極為重要的支撐推動作用和廣闊的產(chǎn)業(yè)應用價值。
背景技術：
微納米級材料力學性能的測試技術主要包括納米壓痕(Nanoindentation)、納米劃痕 (Nanoscratch)、原子力顯微鏡(AFM)、微機電系統(tǒng)(MEMS)專用測試技術(如微拉伸等) 及相關支撐技術等。按照測試中是否可通過電子顯微鏡等儀器在線實時監(jiān)測材料的變形和損 傷狀況，又可分為原位(/" W加)測試和非原位(五;c W加)測試。所謂的原位(或在位)測 試，是指對被測件力學性能測試中進行的在線連續(xù)監(jiān)測和分析；與之對應的是非原位測試(又 稱異位或移位測試)，是指利用實驗前或?qū)嶒灪蟮脑嚰M行力學性能分析。目前絕大多數(shù)的 納米力學研究停留在非原位測試技術上。微型機電系統(tǒng)/納米機電系統(tǒng)(MEMS/NEMS)元 件專用測試技術應用范圍存在局限性；而傳統(tǒng)力學性能測試手段因其測試精度難以達到納米 級；限于篇幅，這里對這兩方面的研究情況不做贅述。
(1)、納米力學性能測試中的支撐技術一精密驅(qū)動與檢測技術
納米級精密驅(qū)動(或定位)技術和檢測技術是現(xiàn)代高科技領域的重要支撐技術。自上世 紀中后期以來，出現(xiàn)了利用電致/磁致伸縮材料、形狀記憶合金、壓電陶瓷等實現(xiàn)精密驅(qū)動 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，利用壓電元件實 現(xiàn)精密驅(qū)動的研究受到學術界和工程界的關注，并對慣性沖擊式、尺蠖式、粘滑式驅(qū)動機構 和微位移工作臺等多種壓電驅(qū)動器進行了深入的研究，這些研究成果在超精加工、微細操作、 精密儀器、生物醫(yī)學工程等領域展現(xiàn)了較為廣闊的應用前景。在納米級變形的檢測上，目前 主要通過光學三角法、干涉法、電容式檢測等手段實現(xiàn)；而在微載荷的檢測上，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，進而通過對變形量或由變形引起的電容(或應變)變化量進行檢測得到加載力。
(2) 、納米壓痕、納米劃痕等測試技術
在非原位納米力學測試技術中，以納米壓痕、納米劃痕等最具代表性。納米壓痕測試中， 通過分析載荷力、試件變形和"載荷-變形曲線"，可以測得試件的硬度、彈性模量等參數(shù)， 結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的基礎 上，產(chǎn)生了納米劃痕技術；與納米壓痕不同之處在于納米劃痕技術增加了在劃痕方向上的精 密定位與位移檢測功能。目前，我國還不具備具有自主知識產(chǎn)權的這類技術。
就納米壓痕、納米劃痕等非原位力學測試技術，美國加州大學伯克利分校和勞倫斯-伯 克利國家實驗室的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)下進行高分辨率原位監(jiān)測，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)間的相關性規(guī)律；清華大學溫詩鑄教授也指出目前對于材料變形和損 傷機制及其與性能參數(shù)間的相關性規(guī)律方面缺乏深入的研究，而這又是微小元件設計制造環(huán) 節(jié)迫切需要的。此外，這類儀器對溫度等因素較敏感，工作環(huán)境苛刻，也無法研究溫度效應 對材料加工性能的影響；設備價格昂貴、測試成本高，國外出于軍事和高技術附加值領域的 產(chǎn)業(yè)化應用考慮，高端儀器設備還對我國封銷、禁運。
(3) 、原位(/"wY")納米力學性能測試技術 近幾年國外在一維納米結構和三維試件的原位納米力學測試研究上取得了一些標志性
的研究成果，受到國際工程界和學術界的重視，并得到有關政府部門的資助。
美國勞倫斯-利弗莫爾(Lawrence Livermore)和勞倫斯-伯克利(Lawrence Berkeley)兩 個國家實驗室的研究人員在美國能源部資助下，通過齒輪馬達和壓電元件進行精密定位率先 在電鏡下開展了原位納米壓痕測試。限于當時的技術水平，該裝置結構較大、定位精度不足； 只能監(jiān)測材料的變形行為和損傷狀況，無法測試力學參數(shù)；但這項研究卻具有里程碑性的意 義，使得原位監(jiān)測材料的納米尺度變形、損傷機制問題成為可能。此后，研究人員通過壓電 驅(qū)動機構推動摻雜的金剛石工具頭實現(xiàn)了在電鏡真空腔內(nèi)的原位納米壓痕測試，并分別對單 晶硅等材料進行了實驗，監(jiān)測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系換算得到的；因而導致測試復雜、離線操作環(huán)節(jié) 過多，并降低了測試結果的可信度。
瑞士聯(lián)邦學院(Swiss Federal Institute) J. Michler等人在歐洲框架計劃資助下，研制了 由多個運動模塊組裝而成的原位納米劃痕測試平臺，該平臺采用基于粘滑驅(qū)動機理的壓電驅(qū) 動機構作為精密定位模塊；利用該平臺在電鏡下對砷化鎵等進行了原位納米劃痕測試，全程 監(jiān)測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)動機構工作中存在無法克服的后沖(backlash)現(xiàn)象(后沖幅度達30-100nm);②加載分 辨率不足(為100mN)，③無法檢測切向劃痕力。在UC Berkeley和Lawrence Berkeley國家實驗室的技術支持下，Hysitron公司將PI95
型原位納米壓痕儀推向了市場，該產(chǎn)品由壓電驅(qū)動裝置推動金剛石工具頭實現(xiàn)在透射電子顯 微鏡(TEM)監(jiān)測下的原位壓痕測試，由于具有高技術附加值，該產(chǎn)品價格高達25萬美金 (USD),且出于軍工和高技術附加值領域應用考慮對我國封銷禁運。包括Hysitron公司在 內(nèi)的上述工作主要集中在低維納米結構(如納米管、納米薄膜和納米球等)的力學性能測試 上，取得了一系列具有里程碑意義的標志性研究成果，并有力推動了微電子技術、微機電系 統(tǒng)和納米技術等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
綜上所述，原位納米力學測試被國際學術界和工程界普遍認為是嶄新的、最具發(fā)展?jié)摿?的研究材料納米尺度力學性能和損傷機制的有效方法，近幾年受到國際工程界、學術界和有 關政府部門的高度重視。目前原位納米力學測試的商業(yè)化產(chǎn)品僅有美國Hysitron公司生產(chǎn)， 價格十分昂貴，還對我國禁運；且這些原位納米力學測試由于受特定因素或?qū)ｉT用途的限制， 結構極微小的專門試件還必須通過"掩膜、腐蝕、沉積"等復雜繁瑣的工藝制作，無法對特征 尺寸毫米級以上的三維試件開展測試。由于測試中的尺度效應等因素，利用對極微小試件的 測試結果去評價衡量較大尺寸三維試件的綜合力學性能缺乏可信性。
本發(fā)明以研究試件材料微觀力學性能、損傷機制的精密高效測試技術為對象，提出針對 特征尺寸毫米級以上三維試件的原位納米壓痕/刻劃測試的新技術和新方法，開展研究開發(fā) 并推進其產(chǎn)業(yè)化，迅速填補我國這一領域的空白，并在國際范圍內(nèi)占據(jù)一席之地。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于設計一種集驅(qū)動、加載、檢測、微納米級力學性能測試、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試系統(tǒng)，它由具有X、 Y軸精密定 位的載物臺、Z軸方向的宏動調(diào)整機構和精密壓入驅(qū)動單元、用于檢測壓入深度Z方向金剛 石刀具的運動位移和X、 Y方向載物臺的位移的精密位移傳感器I7、用于檢測金剛石刀具 壓入材料內(nèi)部的壓力的精密力學傳感器和用于觀測和存儲力學測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能夠?qū)崿F(xiàn)工 件在X、 Y軸方向上的精密進給，Z軸方向的宏動調(diào)整機構能夠快速調(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)用于觀測和存儲力學測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方案實現(xiàn)
一種超精密跨尺度原位納米壓痕刻劃測試系統(tǒng)，主要由具有X、 Y軸精密定位的載物臺 11、 Z軸方向的宏動調(diào)整機構和精密壓入驅(qū)動單元15以及用于觀測和存儲力學測試過程中 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11、 Z軸方 向的宏動調(diào)整機構和精密壓入驅(qū)動單元均固定在底座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11之上，用于檢測金剛石刀具壓入材料內(nèi)部的壓力的精密力學傳感器10和 用于檢測X、 Y方向載物臺的微小位移的精密位移傳感器I 7裝在載物臺11上，用于檢測壓
6入深度Z方向金剛石刀具的運動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11主要由微動臺、音圈電機25和精密滾動導軌8組成，所述的微動臺固 定在底座12和連接板I6之間，音圈電機25和精密滾動導軌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25通過連桿27驅(qū)動導軌滑塊4沿精密滾動導 軌8移動，精密力學傳感器10下端通過過度元件9安裝在導軌滑塊4上，精密力學傳感器 10上端與載物臺11的上臺板連接，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11在X軸方向上通過音圈電機25精密定位，載物臺在X軸方向上的微 小位移通過精密位移傳感器I7檢測，精密位移傳感器I7檢測到的位移信號作為音圈電機 25控制電源的反饋信號，對劃痕實驗過程進行閉環(huán)控制；載物臺在Y軸方向上通過測微絲 杠I 1進行精密定位和微小位移的檢測。
所述的載物臺11下面裝有精密力學傳感器10，適時檢測金剛石刀具32壓入材料內(nèi)部 的壓力，并將檢測到的力信號作為壓電疊堆驅(qū)動器31電源的反饋信號，形成閉環(huán)控制。
所述的Z軸方向的宏動調(diào)整機構由一豎直安裝的精密微動臺和連接板I116組成，微動 臺底座I118固定在豎板19上，連接板I116與微動臺滑臺I117固定連接，精密壓入驅(qū)動單 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)整精密微動臺的測微絲杠 II20進行宏動調(diào)整。
所述的精密壓入驅(qū)動單元15主要由柔性鉸鏈29、壓電疊堆驅(qū)動器30、 31、金剛石刀具 32、組成，柔性鉸鏈29固定安裝到Z軸方向的宏動調(diào)整機構的連接板II16上，并采用單體 多自由度，能實現(xiàn)金剛石刀具32在Y軸和Z軸兩個方向上的精密進給，柔性鉸鏈29上裝 有兩組壓電疊堆驅(qū)動器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)明的技術效果是為特征尺寸毫米級以上三維試件材料(最大尺寸達 35mmx35mmx8mm)的硬度、彈性模量和刻劃抗力等力學參數(shù)的測定表征提供更為精準的 測試方法，本發(fā)明提出的測試技術與方法其加載位移分辨率達到納米級、加載力分辨率達到 微牛級甚至更高；通過高分辨率數(shù)字顯微成像系統(tǒng)對測試中材料的發(fā)生變形損傷狀況進行連 續(xù)的動態(tài)原位監(jiān)測，為評價分析材料在載荷作用下的力學行為(或服役行為)提供更為準確 有效的研究測試手段，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 關性規(guī)律提供技術手段；為復雜光柵結構等的納米級金剛石刻劃加工提供優(yōu)化加工工藝的方
7法。本發(fā)明專利對材料科學、微電子技術、精密光學、薄膜技術、超精密加工技術和國防軍 工等領域?qū)⑵鸬酵苿哟龠M作用。


附圖1是混合驅(qū)動式納米力學性能實驗裝置主體部分機構圖。
附圖2是具有X、 Y軸精密定位的載物臺11的機構圖。
附圖3 (a)是音圈電機25、精密滾動導軌8、精密力學傳感器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軸方向的宏動調(diào)整機構的機構圖。
附圖5是精密壓入驅(qū)動單元15的機構圖。
附圖6是用于檢測壓入深度Z方向金剛石刀具的運動位移的精密位移傳感器I123的安 裝機構圖。
l.測微絲杠I， 2.微動臺底座I， 3.微動臺滑臺I， 4.導軌滑塊，5.安裝架I， 6.連接板 I， 7.精密位移傳感器I， 8.精密滾動導軌，9.過度元件，IO.精密力學傳感器，ll.載物臺， 12.底座，13.支架I， 14.安裝座，15.精密壓入驅(qū)動單元，16.連接板H， n.微動臺滑臺n，
18.微動臺底座n， 19.豎板，20.測微絲杠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，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)動器，32.金剛石刀具，33.鎖緊螺釘。
具體實施例方式
下面結合附圖所示實施例進一步說明本發(fā)明的詳細內(nèi)容及其具體實施方式
。 本發(fā)明的一種高性能綜合精密實驗系統(tǒng)，具有X、 Y軸精密定位的載物臺水平布置在底 座上，在Y軸方向上采用精密微動臺作為驅(qū)動，通過微動臺的滑臺帶動滑臺上的X軸精密 定位機構，微動臺具有較大的承載能力，運行平穩(wěn)，易于控制。X軸精密定位機構采用音圈 電機作為驅(qū)動，采用精密位移傳感器來檢測微位移，通過將微位移信號反饋給音圈電機的控 制電源，能夠?qū)崿F(xiàn)閉環(huán)控制，可實現(xiàn)X軸方向的精密定位，自動化程度高。精密力學傳感 器通過螺紋連接安裝在載物臺的下方，可實時檢測金剛石刀具壓入材料內(nèi)部的壓力。Z軸方 向的宏動調(diào)整機構采用精密微動臺座微驅(qū)動，通過微動臺的滑臺帶動滑臺上的精密壓入驅(qū)動 單元，實驗時可通過調(diào)整微動臺的測微絲桿快速調(diào)整金剛石刀具和工件間的位置。精密壓入 驅(qū)動單元的柔性鉸鏈采用單體多自由度的設計思想設計的，能夠?qū)崿F(xiàn)金剛石刀具在Y軸和Z 軸兩個方向上的精密進給，精密壓入驅(qū)動單元還采用了壓電疊堆作為進給的驅(qū)動，具有分辨 率高、無電磁干擾、結構微小等優(yōu)點。采用了精密位移傳感器來檢測金剛石刀具的進給位移。 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和精密力學傳感器輸出的力信 號同步采集到計算機里，從而獲得壓痕實驗的載荷一一深度曲線。通過軟件編程控制音圈電機帶動載物臺沿X軸方向進給就可完成試件的劃痕實驗。調(diào)節(jié)Y軸方向的微動臺上的測微 絲杠I 1就可使試件沿Y軸方向進給，即可在試件上劃出多道劃痕。所述實驗裝置上還安裝 了精密顯微成像系統(tǒng)和數(shù)字成像系統(tǒng)，可用于觀測和存儲力學測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和用于檢測壓入深度Z 方向金剛石刀具的運動位移的精密位移傳感器I123，豎板19上設有Z軸方向的宏動調(diào)整機 構和精密壓入驅(qū)動單元、用于觀測和存儲力學測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的機構圖，連接板I6通過螺紋連接與微動臺 的滑臺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25 和精密滾動導軌8的定位，以便保證兩者間的位置關系。音圈電機25和精密滾動導軌8通 過螺紋連接與連接板I 6固連，音圈電機25通過連桿27帶動精密滾動導軌的滑塊4。參閱 附圖3所示，精密力學傳感器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導軌的滑塊4上，上端螺紋與載物臺 ll連接。連接板I6上還裝有安裝架I5，用于安裝測量載物臺X軸方向位移的精密位移傳 感器I 7。
附圖4表示的是Z軸方向的宏動調(diào)整機構，微動臺底座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臺滑臺I117連接，整個精密壓入驅(qū)動單元15則通 過螺紋連接安裝在連接板I116上，實驗時可通過調(diào)整精密微動臺的測微絲杠I120來實現(xiàn)Z 方向金剛石刀具的宏動調(diào)整。
附圖5是精密壓入驅(qū)動單元的機構圖，柔性鉸鏈29通過螺紋連接安裝到Z軸方向的宏 動調(diào)整機構的連接板II16上，柔性鉸鏈上裝有兩組壓電疊堆驅(qū)動器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兩個自由度， 實驗過程中，操作人員可通過控制壓電疊堆驅(qū)動器的電源來控制金剛石刀具在Y、 Z兩個方 向上的精密進給。
附圖6是用于檢測壓入深度Z方向金剛石刀具的運動位移的精密位移傳感器I123的安 裝機構圖，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，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，從而使得精密位移傳感器I123具有Y、 Z兩個自由度，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。
在納米壓痕測試中，由于金剛石工具頭與試件間的接觸力通常為毫牛級甚至更低，機械 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試裝置測得，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(或通過簡單換算得到)。
9根據(jù)接觸力學的相關知識，試件的接觸剛度s可表示為 S= ! (1)
、^」尸max
結合Oliver-Pharr的相關理論，壓痕測試卸載曲線頂部的載荷與對應位移可擬合為一指 數(shù)函數(shù)關系
尸=蜂-(2)
式中a和w為擬合參數(shù).
對(2)式在最大載荷處進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，針對四棱錐金剛石工具頭^^4xs^(a^)x/z2，針對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
結合上述理論，借助納米壓痕試驗測得的壓痕曲線和相關數(shù)據(jù)，可計算出被測材料試件的硬 度、彈性模量等性能參數(shù)，并可考察其蠕變等特性。
權利要求
1、一種超精密跨尺度原位納米壓痕刻劃測試系統(tǒng)，其特征在于，主要由具有X、Y軸精密定位的載物臺(11)、Z軸方向的宏動調(diào)整機構、精密壓入驅(qū)動單元(15)、用于觀測和存儲力學測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(11)、Z軸方向的宏動調(diào)整機構和精密壓入驅(qū)動單元均固定在底座(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(11)之上，用于檢測金剛石刀具壓入材料內(nèi)部的壓力的精密力學傳感器(10)和用于檢測X、Y方向載物臺的微小位移的精密位移傳感器I(7)裝在載物臺(11)上，用于檢測壓入深度Z方向金剛石刀具的運動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)權利要求1所述的一種超精密跨尺度原位納米壓痕刻劃測試系統(tǒng)，其特征在于， 所述的載物臺(11)主要由微動臺、音圈電機(25)和精密滾動導軌(8)組成，所述的微 動臺固定在底座(12)和連接板I (6)之間，音圈電機(25)和精密滾動導軌(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(25)通過連桿(27)驅(qū)動導軌滑塊(4)沿精密滾動導軌(8)移動，精密力學傳感器(10)下端通過過度 元件(9)安裝在導軌滑塊(4)上，精密力學傳感器(10)上端與載物臺(11)的上臺板連 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試系統(tǒng)，其特征 在于，所述的載物臺(11)在X軸方向上通過音圈電機(25)精密定位，載物臺在X軸方 向上的微小位移通過精密位移傳感器I (7)檢測，精密位移傳感器I (7)檢測到的位移信 號作為音圈電機(25)控制電源的反饋信號，對劃痕實驗過程進行閉環(huán)控制；載物臺在Y 軸方向上通過測微絲杠I (1)進行精密定位和微小位移的檢測。
4、 根據(jù)權利要求1或2所述的一種超精密跨尺度原位納米壓痕刻劃測試系統(tǒng)，其特征 在于，所述的載物臺(11)下面裝有精密力學傳感器(10)，適時檢測金剛石刀具(32)壓 入材料內(nèi)部的壓力，并將檢測到的力信號作為壓電疊堆驅(qū)動器(31)電源的反饋信號，形成 閉環(huán)控制。
5、 根據(jù)權利要求1所述的一種超精密跨尺度原位納米壓痕刻劃測試系統(tǒng)，其特征在于， 所述的Z軸方向的宏動調(diào)整機構由一豎直安裝的精密微動臺和連接板II (16)組成，微動臺底座n (18)固定在豎板(19)上，連接板n (16)與微動臺滑臺n (n)固定連接，精密壓入驅(qū)動單元(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)整精密微動臺的測微絲杠n (20)進行宏動調(diào)整。
6、 根據(jù)權利要求1或5所述的一種超精密跨尺度原位納米壓痕刻劃測試系統(tǒng)，其特征 在于，所述的精密壓入驅(qū)動單元(15)主要由柔性鉸鏈(29)、壓龜疊堆驅(qū)動器(30、 31)、 金剛石刀具(32)、組成，柔性鉸鏈(29)固定安裝到Z軸方向的宏動調(diào)整機構的連接板II(16)上，并采用單體多自由度，能實現(xiàn)金剛石刀具(32)在Y軸和Z軸兩個方向上的精 密進給，柔性鉸鏈(29)上裝有兩組壓電疊堆驅(qū)動器(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)權利要求1所述的一種超精密跨尺度原位納米壓痕刻劃測試系統(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)權利要求1所述的一種超精密跨尺度原位納米壓痕刻劃測試系統(tǒng)，其特征在于， 所述的用于觀測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(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)對納米壓痕/刻劃過程中載荷作用下材料發(fā)生的力學行為和損傷狀況實施動態(tài)的原 位監(jiān)測。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種集驅(qū)動、加載、檢測、微納米級力學性能測試、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、Z軸方向的調(diào)整機構和精密壓入驅(qū)動單元、載荷信號和位移信號的檢測單元、用于觀測存儲測試過程中材料變形、損傷狀況的高分辨率數(shù)字顯微成像系統(tǒng)組成；載物臺、Z軸方向的調(diào)整機構和精密壓入驅(qū)動單元均裝配在底座上，高分辨率數(shù)字顯微成像系統(tǒng)裝在載物臺上，檢測金剛石工具頭壓入材料壓力的精密力學傳感器和檢測X、Y方向載物臺精密位移的傳感器I裝在載物臺上，用于檢測壓入深度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G01N3/46GK101520389SQ20091006669
公開日2009年9月2日 申請日期2009年3月27日 優(yōu)先權日2009年3月27日
發(fā)明者趙宏偉, 趙宏健, 鄧金強, 虎 黃 申請人:吉林大學