[发明专利]超精密跨尺度原位纳米压痕刻划测试系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种集驱动、加载、检测、微纳米级力学性能测试、超精密刻划加工和原位观察为一体的高性能综合精密实验测试系统，尤其涉及各类试件或材料的微观力学性能测试中的纳米压/划痕实验、原位纳米压/划痕实验和微纳米级原位金刚石刻划加工的装置，属集光机电一体化的精密科学仪器。精密仪器是科技创新和经济社会发展的基石与重要保障，本发明是用于测定表征各类试件或材料的微观力学性能参数的专用测试仪器，并可在高分辨率数字显微成像系统的实时监测下研究被测试件或材料在载荷作用下的力学行为、损伤机制及其与载荷作用和材料性能间的相关性规律，并可用于分析研究精密光栅元件的金刚石刻划加工机理及工艺优化等问题，对新材料新工艺、精密光学、微电子技术和半导体技术、汽车飞机关键零部件制造、钢铁冶金、生物医学工程、微机电系统(MEMS)技术、纳米工程和国防军工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。

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。目前绝大多数的纳米力学研究停留在非原位测试技术上。微型机电系统/纳米机电系统(MEMS/NEMS)元件专用测试技术应用范围存在局限性；而传统力学性能测试手段因其测试精度难以达到纳米级；限于篇幅，这里对这两方面的研究情况不做赘述。

(1)、纳米力学性能测试中的支撑技术-精密驱动与检测技术

纳米级精密驱动(或定位)技术和检测技术是现代高科技领域的重要支撑技术。自上世纪中后期以来，出现了利用电致/磁致伸缩材料、形状记忆合金、压电陶瓷等实现精密驱动的研究。由于压电元件具有分辨率高、无电磁干扰、易于微小型化等优点，利用压电元件实现精密驱动的研究受到学术界和工程界的关注，并对惯性冲击式、尺蠖式、粘滑式驱动机构和微位移工作台等多种压电驱动器进行了深入的研究，这些研究成果在超精加工、微细操作、精密仪器、生物医学工程等领域展现了较为广阔的应用前景。在纳米级变形的检测上，目前主要通过光学三角法、干涉法、电容式检测等手段实现；而在微载荷的检测上，研究人员主要利用敏感元件将载荷力转换为弹性元件的微变形，进而通过对变形量或由变形引起的电容(或应变)变化量进行检测得到加载力。

(2)、纳米压痕、纳米划痕等测试技术

在非原位纳米力学测试技术中，以纳米压痕、纳米划痕等最具代表性。纳米压痕测试中，通过分析载荷力、试件变形和“载荷-变形曲线”，可以测得试件的硬度、弹性模量等参数，结合电子显微镜等仪器可以发现材料已发生的变形和损伤状况。在纳米压痕仪等技术的基础上，产生了纳米划痕技术；与纳米压痕不同之处在于纳米划痕技术增加了在划痕方向上的精密定位与位移检测功能。目前，我国还不具备具有自主知识产权的这类技术。

就纳米压痕、纳米划痕等非原位力学测试技术，美国加州大学伯克利分校和劳伦斯-伯克利国家实验室的A.M.Minor等人指出了其存在的不足：由于无法在电子扫描显微镜和透射电子显微镜(SEM、TEM)下进行高分辨率原位监测，因此不能研究变形、损伤状况与载荷作用和材料性能参数间的相关性规律；清华大学温诗铸教授也指出：目前对于材料变形和损伤机制及其与性能参数间的相关性规律方面缺乏深入的研究，而这又是微小元件设计制造环节迫切需要的。此外，这类仪器对温度等因素较敏感，工作环境苛刻，也无法研究温度效应对材料加工性能的影响；设备价格昂贵、测试成本高，国外出于军事和高技术附加值领域的产业化应用考虑，高端仪器设备还对我国封销、禁运。

(3)、原位(In situ)纳米力学性能测试技术

近几年国外在一维纳米结构和三维试件的原位纳米力学测试研究上取得了一些标志性的研究成果，受到国际工程界和学术界的重视，并得到有关政府部门的资助。