一种微纳米划痕仪及其应用方法与流程

本发明属于精密仪器及应用技术领域，具体涉及一种微纳米划痕仪，本发明还涉及上述微纳米划痕仪的应用方法。

背景技术：

随着扫描电子显微镜、原子力显微镜等显微设备的快速发展，人们有了探索物体在微小划痕作用下的工具，因此一种能适应于不同材料的具有纳米级别分辨率的精密划痕仪就显得尤为重要。

近年来，在研究脆性材料的变形及损伤机理时，科学家发现在很小载荷的作用下，脆性材料会产生一定的塑性变形，当载荷增加时，材料将由塑性变形方式向脆性破坏发生转变，产生脆性裂纹，脆塑转变的深度即为临界切削深度。基于此理论，科学家提出了硬脆材料的塑性域加工方法。硬脆材料的临界切削深度往往是在微纳级别，以碳化硅材料为例，近年来的研究表明：其临界切削深度为几十纳米。

目前，英国、德国及美国等发达国家的微纳划痕技术日益成熟，精密微纳米划痕仪已经完成商业化运营，但是价格比较高昂。由于我国在该领域起步较晚，对微纳米划痕相关的研究较少，阻碍了其在相关技术领域的发展。

现有的微纳米划痕仪大多采用微小平动的方式，即刀具轴线与被划物体法线方向之间呈微小的夹角，在两者相对运动时，形成由小到大的楔形划痕。采用该方式的微纳米划痕仪运动副较多，对于设备本身加工要求非常高，操作维护也极为不便。因此，研制一种具有高精度、结构紧凑及低成本的微纳米划痕仪具有重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种微纳米划痕仪，解决了现有划痕仪存在的精度较低、结构复杂及无法精密定位的问题，该微纳米划痕仪采用柔顺机构实现工作台的微动，便于更好的研究脆性材料变形及损伤机理、薄膜/涂层厚度。

本发明的另一目的在于提供该微纳米划痕仪的应用方法。

本发明所采用的第一种技术方案是，一种微纳米划痕仪，包括有由底座和垂直固定于底座上的立柱构成的支撑机构，在立柱的一个侧壁上设置有Z轴大行程调节装置，在Z轴大行程调节装置上分别连接有Z轴小行程调节装置、刀具驱动装置；Z轴小行程调节装置上连接有刀具夹持装置，且刀具夹持装置与刀具驱动装置连接；在底座上且靠近立柱处设置有Z轴大行程调节装置的侧壁处设置有精密调节平台，精密调节平台上设置有工件夹持装置，底座上还设置有显微观察装置。

本发明第一种技术方案的特点还在于：

精密调节平台，包括有设置于底座上的X向微进给装置，X向微进给装置通过连接板Ⅰ与设置于X向微进给装置上方的Y向微进给装置连接，Y向微进给装置与设置于Y向微进给装置上方的调平柔顺机构连接，工件夹持装置设置于调平柔顺机构的上表面上；

X向微进给装置和Y向微进给装置的结构相同，且X向微进给装置与Y向微进给装置在空间中平行且呈正交分布。

X向微进给装置由柔顺调节机构和设置于柔顺调节机构上的位移驱动装置、复位弹簧Ⅰ及固定螺栓构成；

柔顺调节机构，包括有基座、运动平台及柔性铰链，且基座固定于底座上，运动平台通过四组对称分布的铰链连接于基座内，位移驱动装置设置于柔顺调节机构一侧壁外表面的中央，复位弹簧Ⅰ和固定螺栓均设置于柔顺调节机构的另一侧壁上，且复位弹簧Ⅰ位于该侧壁内表面的中央，固定螺栓位于该侧壁外表面的中央，使位移驱动装置与复位弹簧Ⅰ、固定螺栓相对设置，位移驱动装置、复位弹簧Ⅰ及固定螺栓位于柔顺调节机构的水平中轴线上。

柔顺调平机构主要由上层单元、中层单元及下层单元组成，且上层单元和中层单元之间、中层单元和下层单元之间均通过柔性铰链相连，且两个柔性铰链在空间中呈正交分布；

下层单元与中层单元之间设置有机械封装压电陶瓷Ⅰ及复位弹簧Ⅲ，中层单元与上层单元之间设置有机械封装压电陶瓷Ⅱ及复位弹簧Ⅱ，下层单元固定于Y向微进给装置上，机械封装压电陶瓷Ⅰ与复位弹簧Ⅲ共同作用下调节Y轴水平偏移角度，机械封装压电陶瓷Ⅱ与复位弹簧Ⅱ共同作用下调节X轴水平偏移角度，从而实现调平功能；工件夹持装置设置于上层单元上。

工件夹持装置由工件载物台及设置于工件载物台上表面上的工件夹持器构成，工件夹持器用于夹持工件。

Z轴大行程调节装置，包括有固定于立柱一侧壁上两边缘处的两条滑道，两条滑道上架设有滑块，且滑块与竖直设置的丝杠连接，丝杠的上端连接手轮，手轮设置于立柱的顶部，通过转动手轮能带动丝杠运动，丝杠再带动滑块在两条滑道上沿Z轴方向运动；Z轴小行程调节装置和刀具驱动装置均固接于滑块面向外的一个侧壁上。

Z轴小行程调节装置，包括有固接于滑块上的Z向微进给装置，Z向微进给装置与X向微进给装置的结构相同，Z向微进给装置上连接有压电平移台；压电平移台为一维开环纳米级精密定位平移台，其行程为50μm，分辨率为0.9nm；压电平移台通过连接板Ⅱ与刀具夹持装置连接；

刀具驱动装置，包括有固定于滑块上的电机座，电机固定在电机座上，电机为带减速器的伺服电机；电机主轴外部依次套接有偏心凸轮、轴承及摆杆；摆杆通过销轴与连接块相连，电机转动时，将带动刀具夹持装置沿X轴左右摆动。

刀具夹持装置，包括有柔性刀柄，柔性刀柄上设置有连接块，刀具驱动装置与连接块连接；

柔性刀柄的一端为固定端，柔性刀柄的另一端为自由端；柔性刀柄的固定端是一个双半圆形的柔性铰链，且柔性刀柄的固定端通过连接板Ⅱ固定于压电平移台上，柔性刀柄的自由端通过柔性铰链能做微小的圆弧运动，且柔性刀柄的自由端通过压块固接有金刚石刀具，金刚石刀具能做微小的圆弧运动。

显微观察装置，包括有数码显微镜和万向铰架；

万向铰架的一端为固定端，且固定端与底座固接；万向铰架的另一端为活动端，且活动端连接数码显微镜。

本发明所采用的第二种技术方案是，微纳米划痕仪的应用方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、根据划痕要求，选择相应尺寸的偏心轮、柔性刀柄及金刚石刀具，并安装到位；

步骤2、经步骤1后，调节精密调节平台上的机械封装压电陶瓷Ⅰ和机械封装压电陶瓷Ⅱ，使工件夹持装置上夹持的工件的上表面保持水平；调节X向微进给装置的位移驱动装置，使工件置于X轴合理位置，同理，调节工件至Y向合理位置；

步骤3、经步骤2后转动手轮，粗调金刚石刀具与工件上表面之间的距离，待金刚石刀具的刀尖与工件上表面之间的距离约为0.5mm时，停止转动手轮；

步骤4、经步骤3后，调节Z向微进给装置内的位移驱动装置，进一步减小金刚石刀具的刀尖与工件的距离，同时开启数码显微镜，观察并确保金刚石刀具的刀尖与工件上表面处于非接触状态；

步骤5、经步骤4后，将电机转速调至60rmp，打开电机，使柔性刀柄在电机的驱动下在X轴来回摆动；逐渐增大压电平移台的驱动电压，使金刚石刀具的刀尖向工件上表面以纳米级的精度靠近；

观察数码显微镜的图像，当观察到划痕时，立即暂停压电平移台的驱动电压，并记下驱动电压的数值，通过测量划痕的长度，并利用公式：经计算得出刀尖的切削深度，从而找到刀尖与工件的零点位置；

步骤6、经步骤5后，再通过电机调节柔性刀柄的位置，使其置于最大摆幅处，并调节电机至所需转速，确保金刚石刀具的划动速度；调节压电平移台的驱动电压，确保划痕深度；

步骤7、打开电机，完成划动。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明的微纳米划痕仪，具有结构紧凑、操作简单、稳定性好及成本较低的优点。

(2)本发明的微纳米划痕仪，采用柔顺机构实现工作台的微动，无摩擦，免润滑。

(3)本发明的微纳米划痕仪，其内部的进给驱动装置可以是手动调节的微分头，也可以是自动调节的电机，调节方式灵活多变。

(4)本发明的微纳米划痕仪，其划痕形状为对称的微小圆弧形，便于对比试验结果。

(5)本发明的微纳米划痕仪，刀具和工件的调零采用显微观察的方式，避免了采用力传感器自身带来的位移误差。

(6)本发明的微纳米划痕仪在微电子、光学、高分子材料、硬脆材料加工、生物薄膜、有色金属及航空航天等领域具有重要的科学价值和广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明一种微纳米划痕仪的结构示意图；

图2是本发明一种微纳米划痕仪内X向微进给装置的结构示意图；

图3是本发明一种微纳米划痕仪内刀具夹持装置及刀具驱动装置连接的结构示意图；

图4是本发明一种微纳米划痕仪内金刚石刀具的刀尖运动轨迹示意图。

图中，1.底座，2.X向微进给装置，201.位移驱动装置，202.柔顺调节机构，202a.基座，202b.运动平台，202c.柔性铰链，203.复位弹簧Ⅰ，204.固定螺栓，3.连接板Ⅰ，4.Y向微进给装置，5.机械封装压电陶瓷Ⅰ，6.调平柔顺机构，7.工件载物台，8.电机基座，9.电机，10.Z向微进给装置，11.压电平移台，12.滑块，13.立柱，14.滑道，15.手轮，16.丝杠，17.数码显微镜，18.连接板Ⅱ，19.柔性刀柄，20.销轴，21.压块，22.工件夹持器，23.复位弹簧Ⅱ，24.机械封装压电陶瓷Ⅱ，25.万向铰架，26.电机主轴，27.偏心凸轮，28.轴承，29.摆杆，30.连接块，31.金刚石刀具，32.复位弹簧Ⅲ。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种微纳米划痕仪，如图1所示，包括有由底座1和垂直固定于底座1上的立柱13构成的支撑机构，在立柱13的一个侧壁上设置有Z轴大行程调节装置，在Z轴大行程调节装置上分别连接有Z轴小行程调节装置、刀具驱动装置；Z轴小行程调节装置上连接有刀具夹持装置，且刀具夹持装置与刀具驱动装置连接；在底座1上且靠近立柱13处设置有Z轴大行程调节装置的侧壁处设置有精密调节平台，精密调节平台上设置有工件夹持装置，底座1上还设置有显微观察装置。

精密调节平台，如图1所示，包括有设置于底座1上的X向微进给装置2，X向微进给装置2通过连接板Ⅰ3与设置于X向微进给装置2上方的Y向微进给装置4连接，Y向微进给装置4与设置于Y向微进给装置4上方的调平柔顺机构6连接，工件夹持装置设置于调平柔顺机构6的上表面上。

X向微进给装置2和Y向微进给装置4的结构相同，且X向微进给装置2与Y向微进给装置4在空间中相互平行且呈正交分布；X向微进给装置2与Y向微进给装置4之间是通过连接板Ⅰ3相连。Y向微进给装置4与X向微进给装置2的运动机理相同。

X向微进给装置2，其结构如图2所示，由柔顺调节机构202(由一块材料线切割而成)和设置于柔顺调节机构202上的位移驱动装置201、复位弹簧Ⅰ203及固定螺栓204构成；柔顺调节机构202，包括有基座202a、运动平台202b及柔性铰链202c，且基座202a固定于底座1上，运动平台202b通过四组对称分布的铰链202c连接于基座202a内，位移驱动装置201设置于柔顺调节机构202一侧壁外表面的中央，复位弹簧Ⅰ203和固定螺栓204均设置于柔顺调节机构202的另一侧壁上，且复位弹簧Ⅰ203位于该侧壁内表面的中央，固定螺栓204位于该侧壁外表面的中央，使位移驱动装置201与复位弹簧Ⅰ203、固定螺栓204相对设置，位移驱动装置201、复位弹簧Ⅰ203及固定螺栓204位于柔顺调节机构202的水平中轴线上。

当位移驱动装置201运动时，在铰链202c及复位弹簧Ⅰ203的作用下带动运动平台202b沿进给方向运动，实现精密调节平台沿X方向运动。

柔顺调平机构6用于实现精密调节平台的调平功能；柔顺调平机构6，如图1所示，主要由上层单元、中层单元及下层单元组成，且上层单元和中层单元之间、中层单元和下层单元之间均通过柔性铰链相连，且两个柔性铰链在空间中呈正交分布；下层单元与中层单元之间设置有机械封装压电陶瓷Ⅰ5及复位弹簧Ⅲ32，中层单元与上层单元之间设置有机械封装压电陶瓷Ⅱ24及复位弹簧Ⅱ23，下层单元固定于Y向微进给装置4上，机械封装压电陶瓷Ⅰ5与复位弹簧Ⅲ32共同作用下调节Y轴水平偏移角度，机械封装压电陶瓷Ⅱ24与复位弹簧Ⅱ23共同作用下调节X轴水平偏移角度，从而实现调平功能；工件夹持装置设置于上层单元上。

工件夹持装置由工件载物台7及设置于工件载物台7上表面上的工件夹持器22构成，工件夹持器22用于夹持工件。

Z轴大行程调节装置，如图1所示，包括有固定于立柱13一侧壁上两边缘处的两条滑道14，两条滑道14上架设有滑块12，且该滑块12与竖直设置的丝杠16连接，丝杠16的上端连接手轮15，手轮15设置于立柱13的顶部，通过转动手轮15能带动丝杠16运动，丝杠16再带动滑块12在两条滑道14上沿Z轴方向运动；Z轴小行程调节装置和刀具驱动装置均固接于滑块12面向外的一个侧壁上。

Z轴小行程调节装置，如图1所示，包括有固接于滑块12上的Z向微进给装置10，Z向微进给装置10的运动机理和结构均与X向微进给装置2相同；Z向微进给装置10上连接有压电平移台11，压电平移台11为一维开环纳米级精密定位平移台，其行程为50μm，分辨率为0.9nm；压电平移台11通过连接板Ⅱ18与刀具夹持装置连接。

刀具夹持装置，如图1及图3所示，包括有柔性刀柄19，柔性刀柄19上设置有连接块30，刀具驱动装置与连接块30连接；柔性刀柄19的一端为固定端，柔性刀柄19的另一端为自由端；柔性刀柄19的固定端是一个双半圆形的柔性铰链，且柔性刀柄19的固定端通过连接板Ⅱ18固定于压电平移台11上，柔性刀柄19的自由端通过柔性铰链能做微小的圆弧运动，且柔性刀柄19的自由端通过压块21固接有金刚石刀具31，金刚石刀具31能做微小的圆弧运动。

柔性刀柄19的材质为06Cr19Ni10，通过更换零件及改变柔性刀柄19的长度，可以划出不同长度的划痕。

刀具驱动装置，如图1及图3所示，包括有固定于滑块12上的电机座8，电机9固定在电机座8上，电机主轴26外部依次套接有偏心凸轮27、轴承28及摆杆29；摆杆29通过销轴20与连接块30相连，电机9转动时，将带动刀具夹持装置内的金刚石刀具31沿X轴做左右摆动。

如图4所示，金刚石刀具31的刀尖轨迹为微小的圆弧，划痕长度b与切削深度d之间的关系为：其中r为金刚石刀具31的刀尖到柔性刀柄19的柔性铰链之间的距离。

电机9为带减速器的伺服电机，减速比为1：27，额定转速为73rmp，电机9的转速控制范围为0.1rmp～73rmp，通过控制电机9的转速来实现对柔性刀柄19摆动速度的控制。

偏心凸轮27的偏心距为1mm，还可根据需求，更换不同偏心距的偏心凸轮27，配合合适长度的柔性刀柄19，划出满足需求的痕迹。

显微观察装置，包括有数码显微镜17和万向铰架25，万向铰架25的一端为固定端，且固定端与底座1固接，万向铰架25的另一端为活动端，且活动端连接数码显微镜17。

数码显微镜17具有较大的景深，其轴线与工件法线方向呈小角度夹角时，也能清晰地观察到工件表面形貌；数码显微镜17用于观察金刚石刀具31的刀尖与工件接触后留下的划痕，且可测量划痕的长度。

本发明的微纳米划痕仪的应用方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、根据划痕要求，选择相应尺寸的偏心轮27、柔性刀柄19及金刚石刀具31，并安装到位；

步骤2、经步骤1后，调节精密调节平台上的机械封装压电陶瓷Ⅰ5和机械封装压电陶瓷Ⅱ24，使工件夹持装置上夹持的工件的上表面保持水平；调节X向微进给装置2的位移驱动装置201，使工件置于X轴合理位置，同理，调节工件至Y向合理位置；

步骤3、经步骤2后，转动手轮15，粗调金刚石刀具31与工件上表面之间的距离，待金刚石刀具31的刀尖与工件上表面之间的距离约为0.5mm时，停止转动手轮15；

步骤4、经步骤3后，调节Z向微进给装置10内的位移驱动装置，进一步减小金刚石刀具31的刀尖与工件的距离，同时开启数码显微镜17，观察并确保金刚石刀具31的刀尖与工件上表面处于非接触状态；

步骤5、经步骤4后，将电机9转速调至60rmp，打开电机9，使柔性刀柄19在电机9的驱动下在X轴来回摆动；逐渐增大压电平移台11的驱动电压，使金刚石刀具31的刀尖向工件上表面以纳米级的精度靠近；

观察数码显微镜17的图像，当观察到划痕时，立即暂停压电平移台11的驱动电压，并记下驱动电压的数值，通过测量划痕的长度，并利用公式：经计算得出刀尖的切削深度，从而找到刀尖与工件的零点位置；

步骤6、经步骤5后，再通过电机9调节柔性刀柄19的位置，使其置于最大摆幅处，并调节电机9至所需转速，确保金刚石刀具31的划动速度；调节压电平移台11的驱动电压，确保划痕深度；

步骤7、打开电机9，完成划动。

本发明一种微纳米划痕仪及其应用方法，有效解决了现有划痕仪存在的精度较低、结构复杂及无法精密定位的问题，该微纳米划痕仪采用柔顺机构实现工作台的微动，便于更好的研究脆性材料变形及损伤机理、薄膜/涂层厚度。