技术领域
[0001] 本
发明涉及
机电一体化的精密科学仪器，特别涉及一种小型化原位纳米压痕测试装置，尤指一种集成宏微驱动、高精密检测、微
纳米级力学性能测试和原位观测为一体的高性能微纳米力学测试装置，可以对材料或试件的力学性能做出评价，并能安装于SEM
真空腔内实现对压痕过程的原位观测。
背景技术
[0002] 原位纳米压痕测试技术是近几年在早期的非原位压痕测试技术
基础之上发展起来的一项前沿技术，目前国外也处于探索阶段。原位纳米压痕测试技术是指在金刚石压头压入和压出被测试件表面的过程中通过高
分辨率显微成像系统在线观测材料及其制品在
载荷作用下的
变形损伤过程。而早期的非原位压痕测试技术则无法在线观测材料的损伤过程。相比非原位测试，原位压痕测试能够得到更多有关材料变形损伤的信息。也正是因为这个原因，目前原位压痕测试技术成为国际上的一个研究热点。瑞士联邦理工、美国的Hysitron公司在原位测试方面做了一些代表性工作。而在国内，非原位压痕测试装置尚未成形，更不用说对原位压痕测试技术的研究。换言之，国内在压痕测试装置方面处于非常落后的状态。由于受到高端科技和军事领域的封
锁，国外在高端的压痕测试装置方面对我国禁运，并且低端的虽能购买但是价格也非常昂贵。这些都严重阻碍了我国材料科学等领域的发展，限制了我国对前沿科学领域的探索。
发明内容
[0003] 本发明的目的在于提供一种小型化原位纳米压痕测试装置，解决了非原位压痕测试技术无法在线观测材料的损伤过程，以及我国在压痕测试装置方面处于非常落后的状态，严重阻碍我国材料科学等领域的发展等问题。针对现在技术存在的问题，本发明提出一种小型化原位纳米压痕测试装置，该装置结构紧凑、体积小，具有宏微运
动能力，可以对材料进行压痕测试，也可以安置在SEM等成像系统中进行原位压痕测试，这对于推动我国高端科技装备的发展具有重要意义，使我国在压痕测试技术和原位压痕测试技术方面在国际上占有一席之地。本发明对于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起到非常重要的促进作用，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。
[0004] 本发明的上述目的通过以下技术方案实现：小型化原位纳米压痕测试装置，包括Z轴宏动调整机构、压电精密驱动压入单元及载荷
信号和位移信号检测单元，其中，所述的Z轴宏动调整机构安装在底座1上，压电精密驱动压入单元通过U形连接板4连接在Z轴宏动调整机构的微动滑台3上，载荷信号和位移信号检测单元的用于位移信号检测的精密位移
传感器8固连在U形连接板4内部，用于载荷信号检测的精密力传感器15安装在支撑板16上，该支撑板16与底座1连接，压头10安装在载荷信号和位移信号检测单元的力转
铰链14的上端。
[0005] 所述的Z轴宏动调整机构包括步进
电机及
法兰盘组件17、粗调旋钮13、微动台底座2及微动滑台3，该步进电机安装在法兰盘上，其
输出轴通过一
联轴器与粗调旋钮13连接，微动滑台3与微动台底座2滑动连接，该微动滑台3与粗调旋钮13连接；步进电机及法兰盘组件17的输出动力转
化成微动滑台3及其以上部件沿微动台底座2的直线运动，从而实现载物台的宏动调整。
[0006] 所述的压电精密驱动压入单元包括柔性铰链5、压电叠堆6及预紧
螺母7，该柔性铰链5通过U形连接板4连接在Z轴宏动调整机构的微动滑台3上；压电叠堆6通过预紧螺母7预紧后安装在柔性铰链5中心。
[0007] 柔性铰链5的前端为载物台，被测试件可以通过粘胶等方式安装在载物台上，载物台在Z轴方向通过宏动调整机构和压电精密驱动压入单元实现宏动调整和精密压入与压出。压电叠堆
驱动器6安装在柔性铰链5上的载物台和预紧螺母7中间，该预紧螺母7能实现压电叠堆驱动器6的预紧。
[0008] 所述的载荷信号和位移信号检测单元包括精密位移传感器8、安装座9、压头夹紧螺钉11、夹紧螺母12、力转换铰链14、精密力传感器15及支撑板16，该精密位移传感器8通过安装座9固定连接在U形连接板4上；压头10通过压头夹紧螺钉11和夹紧螺母12安装在力转换铰链14的上端，该力转换铰链14通过支撑板16与底座1相连接；压入载荷通过力转换铰链14作用在精密力传感器15上。转换铰链14通过螺钉固定于支撑板16上；压头10安装在力转换铰链14上端的圆形槽中，由加紧螺母夹紧。
[0009] 所述的底座1的斜面为安装面，使装置安装后有一定的倾
角，以便于SEM或TEM对压痕、划痕作用点的观测。
[0010] 所述的小型化原位纳米压痕测试装置放置于用于测试过程在线监测材料变形和损伤状况的扫描电子
显微镜SEM或透射电子显微镜TEM的真空腔内，并在SEM或TEM的监测下开展压痕试验，能够实现对纳米压痕/刻划过程中载荷作用下材料发生的力学行为和损伤状况实施动态的原位监测。实现对特征尺寸毫米级以上三维试件的压痕或划痕试验，并对测试过程进行原位监测，进一步研究材料的变形损伤机制。
[0011] 所述的力转换铰链14有以下两个作用：实现压头10的固定；将压头转化至整个装置的最高点附近，解决SEM或TEM成像高度的问题。对于没有成像高度限制的观测装置，可以不设置力转换铰链而使载荷直接作用于精密力传感器15上。精密位移传感器8、精密力传感器15、压电叠堆6、步进电机、SEM或TEM等
硬件的通讯和控制，以及相应的
数据处理通过计算机控制单元实现。所述的用于测试过程在线监测材料变形和损伤状况的扫描电子显微镜SEM或透射电子显微镜TEM为市面上商业化的通用电镜。
[0012] 本发明的技术效果是：结构紧凑、体积小，具有宏微运动能力，可以对材料进行压痕测试，也可以安置在SEM等成像系统中进行原位压痕测试。利用本发明提出的测试装置可以对特征尺寸毫米级以上三维试件材料（最大尺寸达5mm×5mm×3mm）的力学性能进行测量；测试过程中载荷分辨率达到微
牛级，位移分辨率达到纳米级；测试装置可安装在高分辨率显微成像系统中对压痕过程进行全程观测，为研究材料的变形损伤机理提供可能。本发明对材料科学、微电子技术、精密光学、
薄膜技术、超精密加工技术和国防军工等领域将起到推动促进作用。
附图说明
[0013] 图1为本发明的结构示意图；图2为本发明的具有Z轴精密
定位的载物台的结构示意图；
图3为本发明的侧视示意图；
图4及图5为本发明的压电精密驱动压入单元的结构示意图；
图6及图7为本发明的压头、力转换铰链及精密力传感器的安装示意图。
[0014] 图中，1.底座，2.微动台底座，3.微动滑台，4. U形连接板，5. 柔性铰链，6. 压电叠堆，7. 预紧螺母，8.精密位移传感器，9. 安装座，10.压头，11.压头夹紧螺钉，12.夹紧螺母，13. 粗调旋钮，14.力转换铰链，15.精密力传感器，16. 支撑板，17. 步进电机及法兰盘组件。
具体实施方式
[0015] 下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
[0016] 参见图1，本发明的小型化原位纳米压痕测试装置，包括Z轴宏动调整机构、压电精密驱动压入单元、载荷信号和位移信号检测单元、用于测试过程在线监测材料变形和损伤状况的扫描电子显微镜（SEM）或透射电子显微镜（TEM）、计算机控制单元，其中，所述的Z轴宏动调整机构安装在底座1上，压电精密驱动压入单元通过U形连接板4连接在Z轴宏动调整机构的微动滑台3上，载荷信号和位移信号检测单元的用于位移信号检测的精密位移传感器8固连在U形连接板4内部，用于载荷信号检测的精密力传感器15安装在支撑板16上，该支撑板16与底座1连接，压头10安装在载荷信号和位移信号检测单元的力转换铰链14的上端。
[0017] 参见图1至图3，Z轴宏动调整机构包括步进电机及法兰盘组件17、粗调旋钮13、微动台底座2及微动滑台3，该步进电机安装在法兰盘上，其输出轴通过一联轴器与粗调旋钮13连接，微动滑台3与微动台底座2滑动连接，该微动滑台3与粗调旋钮13连接；步进电机及法兰盘组件17的输出动力转化成微动滑台3及其以上部件沿微动台底座2的直线运动，从而实现载物台的宏动调整。
[0018] 参见图1、图4及图5，压电精密驱动压入单元包括柔性铰链5、压电叠堆6及预紧螺母7，该柔性铰链5通过U形连接板4连接在Z轴宏动调整机构的微动滑台3上；压电叠堆6通过预紧螺母7预紧后安装在柔性铰链5中心。
[0019] 柔性铰链5的前端为载物台，被测试件可以通过粘胶等方式安装在载物台上，载物台在Z轴方向通过宏动调整机构和压电精密驱动压入单元实现宏动调整和精密压入与压出。压电叠堆驱动器6安装在柔性铰链5上的载物台和预紧螺母7中间，该预紧螺母7能实现压电叠堆驱动器6的预紧。
[0020] 参见图1、图6及图7，载荷信号和位移信号检测单元包括精密位移传感器8、安装座9、压头夹紧螺钉11、夹紧螺母12、力转换铰链14、精密力传感器15及支撑板16，该精密位移传感器8通过安装座9固定连接在U形连接板4上；压头10通过压头夹紧螺钉11和夹紧螺母12安装在力转换铰链14的上端，该力转换铰链14通过支撑板16与底座1相连接；压入载荷通过力转换铰链14作用在精密力传感器15上。
[0021] 转换铰链14通过螺钉固定于支撑板16上；压头10安装在力转换铰链14上端的圆形槽中，由加紧螺母夹紧。
[0022] 所述的底座1的斜面为安装面，使装置安装后有一定的倾角，以便于SEM或TEM对压痕、划痕作用点的观测。
[0023] 所述的小型化原位纳米压痕测试装置放置于用于测试过程在线监测材料变形和损伤状况的扫描电子显微镜SEM或透射电子显微镜TEM的真空腔内，并在SEM或TEM的监测下开展压痕试验，能够实现对纳米压痕/刻划过程中载荷作用下材料发生的力学行为和损伤状况实施动态的原位监测。实现对特征尺寸毫米级以上三维试件的压痕或划痕试验进行原位监测，研究其变形损伤机制。
[0024] 所述的力转换铰链14有以下两个作用：实现压头10的固定；将压头转化至整个装置的最高点附近，解决SEM或TEM成像高度的问题。对于没有成像高度限制的观测装置，可以不设置力转换铰链而使载荷直接作用于精密力传感器15上。精密位移传感器8、精密力传感器15、压电叠堆6、步进电机、SEM或TEM等硬件的通讯和控制，以及相应的数据处理通过计算机控制单元实现。所述的用于测试过程在线监测材料变形和损伤状况的扫描电子显微镜SEM或透射电子显微镜TEM为市面上商业化的通用电镜。
[0025] 本发明在实际使用时，将被测试件安装在柔性铰链5前端的载物台上，通过步进电机带动微动滑台3在Z轴方向运动进而使得载物台在Z轴方向实现粗调整，通过观察精密力传感器15示数的变化判断试件与压头10的
接触零点，之后通过压电叠堆6推动载物台在Z轴方向实现压痕测试。在压痕测试过程中，计算机控制单元通过相关的采集
电路同步记录精密位移传感器8和精密力传感器15的
输出信号，送入计算机，实现控制和
数据采集，之后根据相关的
算法换算得到压入深度和压入载荷值，再根据Oliver-Pharr的相关理论计算得到被测试件的力学参数。由于整个装置尺寸小，测试装置可以安置于SEM或TEM等显微成像系统中进行试件的原位力学测试。
[0026] 参见图1及图2，Z轴宏动调整机构安装在底座1上面，步进电机安装在法兰盘上，其输出动力通过联轴器和粗调旋钮13转化成微动滑台3及其以上部件沿微动台底座2的直线运动，从而实现载物台的宏动调整。压电精密驱动压入单元的柔性铰链5通过U形连接板4连接在Z轴宏动调整机构的微动滑台3上，压电叠堆6通过预紧螺母7预紧后安装在柔性铰链5中心。
[0027] 参见图3，本发明的小型化原位纳米压痕测试装置以图示
姿态，安装在SEM或TEM的真空腔内，这种固定方式一方面是考虑到扫描电镜的成像高度，另一方面是便于压痕点的成像。
[0028] 参见图2、图4及图5，U型连接板4通过
螺纹与微动滑台3连接在一起；精密位移传感器8通过安装座9固定在U型连接板4的U型槽中，柔性铰链5通过
螺纹连接固定在U型连接板4上。
[0029] 参见图6及图7，是压头、力转换铰链和精密力传感器的安装示意图，图6为侧视图，图7为轴测图；在力转换铰链14上端设有一个细长矩形槽，中间设有一个圆柱形槽，压头10安插在这个槽中，通过压头夹紧螺钉11、夹紧螺母12夹紧，这样设置的原因是为了保证压头10相对于试件的垂直度，还便于压头的更换、拆装。
