[发明专利]用于扫描显微环境的单轴双向微力学测量装置及测量方法

说明书

技术领域

本发明属于微纳米力学及精密机械领域，特别涉及一种用于扫描显微环境的单轴双向微力学测量装置及测量方法。

背景技术

微纳米力学实验作为微纳米科学领域重要的组成部分，在微纳尺度材料、结构和器件的力学性能检测和验证中起着重要和不可替代的作用。它的最初需求来源于对小尺度材料力学性能的研究需求，来源于对MEMS和其它微尺度器件性能和可靠性的预测和分析，来源于对能描述复杂结构材料力学行为的精细、多尺度模型的验证。尤其是由于材料和结构特征尺寸的减小导致新的力学、物理、加工等性能的改变，能在微米到纳米，甚至更小的尺度下，直接进行力学性能的检测和表征，进而获得当材料或结构在其外部尺寸和内部微结构特征急剧减小后其力学性能的变化。从上世纪80年代以来，力学在材料和结构的细观、微观以及纳观尺度性能和行为的理论和计算方面取得了重要的进展，但在实验方面，虽然经过研究者二十多年的努力，与理论分析和数值计算相比,微纳米尺度力学实验的进展要困难的多，因为这一尺度下的实验在需要完整、清晰的检测原理和方法的同时,还需要借助基本的实验技术和检测设备,而在小尺度下这是极具挑战性的课题。因此，在实验检测领域，即是在今天，检测对象的特征尺度在亚微米以下的实验仍然是极其困难的。

显然，无论是从尺寸上、功能上，还是夹持、加载和操控层面，对如此微小的研究对象，宏观的检测设备不能适应这一新的需求。研究对象所具有的尺度小、性能复杂、与检测系统及环境能发生强烈的耦合相互作用等特点，使得微纳米实验力学面临众多挑战。

面对基础研究和高技术应用的需求，一方面厂家根据众多用户的需求研究了在功能和性能两方面相对滞后的普式小尺度实验机，例如：适用于光学显微系统和SEM环境腔的英国Gatan力学模块，适合纤维和小尺度试样的美国Tytron250微力动静态试验机、以及主要用于生物医药材料的美国MTS NanoBionix实验机等。尽管这些实验机和以往宏观实验机相比，在载荷、位移量程和分辨率等方面均向微尺度靠拢，但主要还是应用传统材料试验机原理，试件尺度基本在厘米到毫米量级，载荷和位移远大于微纳米材料所要求的范围，且仪器价格昂贵。另一方面，鉴于商用实验机的困难，国内外的研究者根据自己的需求，又自行开展了一些功能和性能更先进的微纳米材料力学性能实验装置（之所以称为装置，是因为这些测量系统还不是完整的材料实验机，大部分是临时搭建系统，仅可能完成部分力学性能测量的单元）。这类由研究者较早时期开发的材料力学性能检测装置或系统，价格较为低廉，适合某些特殊的材料或结构的力学性能检测，但大部分装置仅能在光学显微平台下工作，不能满足微纳米尺度下材料和结构的力学学性能检测，更不能实现微纳米尺度检测条件下，对微结构的夹持和操纵等要求。

发明内容

本发明的目的是基于扫描电子显微镜（SEM）或光学显微镜（OM）的高空间显微成像环境，提供了一种用于扫描显微环境的单轴双向微力学测量装置，可以用于研究微纳米特征尺度薄膜、丝、线等试件在单轴拉伸、压缩、弯曲等条件下的力学性能。

本发明采用的技术方案为：

整体支撑单元安装在SEM样品台基座上，其上表面中心位置设置圆孔，在孔内安装可拉伸的SEM样品台，两侧对称位置分别设置三维坐标平移台和整体支撑单元连接基板；

每个三维坐标平移台和整体支撑单元连接基板分别安装由X方向平移压电导轨、Y方向平移压电导轨、Z方向平移压电导轨组成的坐标式三维粗调平移台；Z方向平移压电导轨的上端与粗调平台连接臂固接，粗调平台连接臂通过压电套管与细调压电陶瓷三维移动平台连接；细调压电陶瓷三维移动平台的前端通过传感器与细调平移台连接套管与传感器连接，传感器的前端与试样平台固接。

所述整体支撑单元与SEM样品台基座之间通过3个内螺丝、两个定位销固定连接。

所述X方向平移压电导轨、Y方向平移压电导轨、Z方向平移压电导轨均分别由一个一维压电电机和一根导轨组成。

所述试样平台为平面型对称载物端、V型载物端或探针型载物端，并相应的配置压紧固定结构。

基于所述装置，本发明还提供了一种测量方法，按如下步骤进行：

（a）根据试样特征尺寸选择在光学或SEM成像环境调整试样平台对中、平直，轴线一致后锁定；调整试样平台达到合适的初始载物间距；在光学显微镜或SEM腔体中完成试样夹持和安装，安装时保证试样的长轴线与SEM样品台拉伸轴线重合；