微型精密原位納米壓痕及刻劃測試裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及機(jī)電一體化的精密科學(xué)儀器，特別涉及一種集成宏微驅(qū)動、高精密檢測、微納米級力學(xué)性能檢測和原位觀測為一體的微型精密原位納米壓痕及刻劃測試裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]原位納米壓痕及劃痕測試技術(shù)相對于離位納米壓痕及劃痕測試技術(shù)來說難度主要是需要測試裝置的小型化并保證測試性能。小型化對測試裝置的驅(qū)動和檢測單元提出了要求，許多離位納米壓痕及劃痕測試裝置中能夠使用的驅(qū)動和檢測單元由于體積大無法實(shí)現(xiàn)裝置的小型化，所以就需要有新穎的驅(qū)動和檢測方式以及巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來開發(fā)緊湊的測試裝置。目前國內(nèi)尚無在加熱環(huán)境下實(shí)現(xiàn)對材料的精密原位納米壓痕及劃痕測試的微型試驗(yàn)機(jī)，本實(shí)用新型可以在掃描電子顯微鏡(SEM)腔內(nèi)實(shí)現(xiàn)對材料的精密原位納米壓痕及劃痕測試，是國內(nèi)在本領(lǐng)域的一次重大突破。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本實(shí)用新型的目的在于提供一種微型精密原位納米壓痕及刻劃測試裝置，解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題。本實(shí)用新型利用應(yīng)變檢測技術(shù)、宏微混合驅(qū)動技術(shù)設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)緊湊的微型精密原位納米壓痕及刻劃測試裝置，實(shí)現(xiàn)材料在電子顯微鏡內(nèi)的原位納米壓痕及刻劃測試，該裝置主要由宏動調(diào)整機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)金剛石壓頭的快速粗調(diào)整；精密壓入單元實(shí)現(xiàn)金剛石壓頭對試件表面的壓入過程；載荷與位移信號檢測單元實(shí)現(xiàn)在金剛石壓頭壓入試件過程中壓入載荷與深度的檢測；劃痕驅(qū)動單元用于試件的劃痕測試。
[0004]本實(shí)用新型的上述目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0005]微型精密原位納米壓痕及刻劃測試裝置，包括宏動調(diào)整機(jī)構(gòu)、精密壓入單元、載荷與位移信號檢測單元以及劃痕驅(qū)動單元，所述X向宏動調(diào)整機(jī)構(gòu)安裝在基座I上；y向宏動調(diào)整機(jī)構(gòu)安裝在X滑臺7上；精密壓入單元安裝在y向宏動調(diào)整機(jī)構(gòu)的I向滑臺13上；載荷與位移信號檢測單元分別安裝在I向柔性鉸鏈15的前端和槽內(nèi)。
[0006]所述X向宏動調(diào)整機(jī)構(gòu)包括伺服電機(jī)2、電機(jī)安裝座3、聯(lián)軸器4、x向絲杠支座5、X向絲杠螺母副6、X向滑臺7、X向絲杠28、X向?qū)к?7，所述伺服電機(jī)2的輸出軸通過聯(lián)軸器4與X向絲杠28連接；所述伺服電機(jī)2的輸出軸既可以隨著聯(lián)軸器4進(jìn)行轉(zhuǎn)動，又可以沿著聯(lián)軸器4的軸線進(jìn)行移動，通過類似螺旋測微儀原理將伺服電機(jī)2輸出的動力轉(zhuǎn)化成X向滑臺7及其以上部件沿X向?qū)к?8的直線運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)X向宏動調(diào)整。
[0007]所述Y向宏動調(diào)整機(jī)構(gòu)包括伺服電機(jī)8、電機(jī)安裝座9、聯(lián)軸器10、y向絲杠支座11、y向滑臺13、y向絲杠25、y向?qū)к?6，所述伺服電機(jī)8的輸出軸通過聯(lián)軸器10與y向絲杠25連接；所述伺服電機(jī)8的輸出軸既可以隨著聯(lián)軸器10進(jìn)行轉(zhuǎn)動，又可以沿著聯(lián)軸器10的軸線進(jìn)行移動，通過類似螺旋測微儀原理將伺服電機(jī)8輸出的動力轉(zhuǎn)化成y向滑臺13及其以上部件沿y向?qū)к?5的直線運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)y向宏動調(diào)整。
[0008]所述的精密壓入單元包括金剛石壓頭18、連接件17、力傳感器16、y向柔性鉸鏈
15、及y向封裝陶瓷14，所述金剛石壓頭18安裝在連接件17前端的安裝孔內(nèi)，所述力傳感器16的前端安裝在連接件17后端的安裝孔內(nèi)，力傳感器16的后端與y向柔性鉸鏈15的前端相連接；所述I向封裝壓電陶瓷14緊配合安裝在y向柔性鉸鏈15的槽內(nèi)并用預(yù)緊螺釘12進(jìn)行預(yù)緊。
[0009]所述的載荷與位移信號檢測單元由力傳感器16和y向封裝壓電陶瓷14組成，根據(jù)曲線擬合原理實(shí)驗(yàn)對載荷和位移的檢測。
[0010]所述的劃痕驅(qū)動單元由z向柔性鉸鏈23及z向封裝壓電陶瓷24組成，所述z向柔性鉸鏈通過螺釘與基座I連接，所述z向封裝壓電陶瓷24緊配合安裝在z向柔性鉸鏈23中間的槽內(nèi)；在z向柔性鉸鏈23后方設(shè)置有剛度增強(qiáng)板20，預(yù)緊螺釘22通過剛度增強(qiáng)板20上方的螺紋孔施加給z向柔性鉸鏈23 —定的預(yù)緊力以增強(qiáng)系統(tǒng)剛度。
[0011]所述的加熱單元由氮化硅加熱元件21及云母片29組成；所述氮化硅加熱元件21與被測試件19接觸；所述云母片29置于氮化硅加熱元件21與z向柔性鉸鏈23之間實(shí)現(xiàn)隔熱效果。
[0012]所述的微型精密原位納米壓痕及刻劃測試裝置安裝在觀測裝置的載物臺實(shí)現(xiàn)對材料的原位壓痕及劃痕測試，所述觀測裝置為掃描電子顯微鏡(SEM)。
[0013]實(shí)用新型的有益效果在于:設(shè)計(jì)新穎，結(jié)構(gòu)簡單、巧妙，體積小。利用伺服電機(jī)和封裝壓電陶瓷混合驅(qū)動技術(shù)設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)緊湊的宏動調(diào)整與精密壓入單元，利用內(nèi)嵌的封裝壓電陶瓷實(shí)現(xiàn)了對位移的檢測；設(shè)計(jì)了劃痕驅(qū)動單元實(shí)現(xiàn)了測試裝置的刻劃功能，內(nèi)嵌的封裝壓電陶瓷實(shí)現(xiàn)了對刻劃位移的檢測，整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，可安置于掃描電子顯微鏡(SEM)的載物臺上實(shí)現(xiàn)對材料的原位觀測。本實(shí)用新型可以為材料科學(xué)、納米技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域前沿科學(xué)研究提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。
【附圖說明】
[0014]此處所說明的附圖用來提供對本實(shí)用新型的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，本實(shí)用新型的示意性實(shí)例及其說明用于解釋本實(shí)用新型，并不構(gòu)成對本實(shí)用新型的不當(dāng)限定。
[0015]圖1是本實(shí)用新型的立體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖2是本實(shí)用新型的主視示意圖；
[0017]圖3是本實(shí)用新型的俯視不意圖；
[0018]圖4是本實(shí)用新型的壓電精密驅(qū)動壓入單元的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖5是本實(shí)用新型的劃痕驅(qū)動及加熱單元的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖中:1.底座；2.伺服電機(jī)I ;3.電機(jī)支撐座I ;4.聯(lián)軸器I ;5.x向絲杠支撐座；6.x向絲杠螺母副；7.x向滑臺；8.伺服電機(jī)II ;9.電機(jī)支撐座II ;10.聯(lián)軸器II ;ll.y向絲杠支撐座；12.預(yù)緊螺釘I ;13.y向滑臺；14.y向封裝壓電陶瓷；15.y向柔性鉸鏈；
16.力傳感器；17.連接件；18.金剛石壓頭；19.被測試件；20.剛度增強(qiáng)板；21.氮化硅加熱元件；22.預(yù)緊螺釘II ；23.z向柔性鉸鏈；24.z向封裝壓電陶瓷；25.y向絲杠；26.y向?qū)к墸?7.X向?qū)к墸?8.X向絲杠；29.云母片。
【具體實(shí)施方