[发明专利]纳米压痕/刻划测试装置

说明书

本发明涉及一种纳米压痕/刻划测试装置，属于机电一体化精密科学仪器领域。其结构包括X、Y精密定位平台、Z轴宏动调整机构、精密压入驱动单元、载荷信号检测单元和位移信号检测单元，其中，所述的X、Y精密定位平台通过连接板Ⅰ 2与粗调整机构Ⅲ 15相连，该调整机构Ⅲ 15固定在底座1上，载物台8通过力传感器9与X、Y精密定位平台连接；精密压入驱动单元通过Z轴宏动调整机构固定在侧板Ⅰ 3上，该侧板Ⅰ 3固定在底座1上；位移信号检测单元通过其侧板Ⅱ 14固定在底座1上。技术效果是：结构紧凑、体积小。可以实现特征尺寸毫米级以上三维试件的力学性能测试（最大尺寸达到20mm×20mm×10mm）；位移加载分辨率达到纳米级、加载力分辨率达到微牛级。

技术领域

本发明涉及光机电一体化精密科学仪器领域，特别涉及一种集驱动、加载、检

测、微纳米级力学性能测试和超精密刻划加工为一体纳米压痕/ 刻划测试装置。

背景技术

微纳米力学测试技术是近些年来发展起来的一项前沿科学技术，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。其中又以纳米压痕/ 划痕测试技术应用的最为广泛，在上述众多领域发挥了重要作用，促进了研究人员对材料变形、损伤机理的深入研究，相关研究成果得到国际顶级期刊的报道，目前国外已有部分商业化的纳米压痕仪，但是由于高精尖领域以及军事领域技术封锁，国外很多高端设备对我国禁运。目前我国在该领域尚未有成形的测试装置，这严重阻碍了我国在相关领域的发展，同时由于缺乏核心技术，很多领域的发展都受到国外仪器的限制。另外这些商业化的仪器体积都比较庞大，结构也比较复杂不能安置在扫描电子显微镜（SEM）、拉曼光谱仪、透射电子显微镜（TEM）、光学显微镜等观测仪器下实现材料的原位纳米压痕测试，很多和材料损伤、破坏有关的信息无法获取。因此，有必要开发出具有我国自主知识产权的纳米压痕测试装置，特别是开发出结构紧凑、有望实现原位压痕测试的装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纳米压痕/ 刻划测试装置，解决了国外仪器体积庞大、结构复杂，不能安置在观测仪器下实现材料的原位纳米压痕测试，很多和材料损伤、破坏有关的信息无法获取等问题，并填补了我国在该领域的空白。本发明目的在于开发出结构紧凑、具有我国自主知识产权的纳米压痕/ 刻划测试新装置，促进我国在高端仪器制造业的发展，并在国际前沿领域占据一席之地。精密仪器是科技创新和经济社会发展的基石与重要保障，本发明可以对各类试件或材料的微纳米力学性能进行测试，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、微电子技术及半导体技术、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。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：纳米压痕/ 刻划测试装置，其结构包括X、Y 精密定位平台、Z 轴宏动调整机构、精密压入驱动单元、载荷信号检测单元和位移信号检测单元，其中，所述的X、Y 精密定位平台通过连接板Ⅰ 2 与粗调整机构Ⅲ 15 相连，该调整机构Ⅲ 15 固定在底座1 上，载物台8 通过力传感器9 与X、Y 精密定位平台连接；精密压入驱动单元通过Z 轴宏动调整机构固定在侧板Ⅰ 3 上，该侧板Ⅰ 3 固定在底座1 上；位移信号检测单元通过其侧板Ⅱ 14 固定在底座1上。

所述的X、Y 精密定位平台包括粗调整机构Ⅲ 15、连接板Ⅰ 2、X-Y 铰链10、X 与Y向压电叠堆16 和预紧螺钉11，其中，该粗调整机构Ⅲ 15 通过螺钉与底座1 相连接，X-Y铰链10 通过连接板Ⅰ 2 与粗调整机构Ⅲ 15 上的活动块连为一体，X 与Y 向压电叠堆16嵌入在X-Y 铰链10 内，并通过预紧螺钉11 紧固；通过旋动粗调整机构Ⅲ 15 上的旋钮可以实现载物台8 在X 方向上的粗定位；给X 向与Y 向压电叠堆提供驱动电压则可以实现载物台8在负X 向和正Y 向的精密运动，以实现压痕测试中的精密定位和划痕测试中的划入。