微型精密原位纳米压痕及刻划测试装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及机电一体化的精密科学仪器，特别涉及一种集成宏微驱动、高精密检测、微纳米级力学性能检测和原位观测为一体的微型精密原位纳米压痕及刻划测试装置。
【背景技术】
[0002]原位纳米压痕及划痕测试技术相对于离位纳米压痕及划痕测试技术来说难度主要是需要测试装置的小型化并保证测试性能。小型化对测试装置的驱动和检测单元提出了要求，许多离位纳米压痕及划痕测试装置中能够使用的驱动和检测单元由于体积大无法实现装置的小型化，所以就需要有新颖的驱动和检测方式以及巧妙的结构设计来开发紧凑的测试装置。目前国内尚无在加热环境下实现对材料的精密原位纳米压痕及划痕测试的微型试验机，本发明可以在扫描电子显微镜(SEM)腔内实现对材料的精密原位纳米压痕及划痕测试，是国内在本领域的一次重大突破。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于提供一种微型精密原位纳米压痕及刻划测试装置，解决现有技术存在的问题。本发明利用应变检测技术、宏微混合驱动技术设计一种结构紧凑的微型精密原位纳米压痕及刻划测试装置，实现材料在电子显微镜内的原位纳米压痕及刻划测试，该装置主要由宏动调整机构实现金刚石压头的快速粗调整；精密压入单元实现金刚石压头对试件表面的压入过程；载荷与位移信号检测单元实现在金刚石压头压入试件过程中压入载荷与深度的检测；划痕驱动单元用于试件的划痕测试。
[0004]本发明的上述目的通过以下技术方案实现:
[0005]微型精密原位纳米压痕及刻划测试装置，包括宏动调整机构、精密压入单元、载荷与位移信号检测单元以及划痕驱动单元，所述X向宏动调整机构安装在基座I上；y向宏动调整机构安装在X滑台7上；精密压入单元安装在y向宏动调整机构的I向滑台13上；载荷与位移信号检测单元分别安装在I向柔性铰链15的前端和槽内。
[0006]所述X向宏动调整机构包括伺服电机2、电机安装座3、联轴器4、x向丝杠支座5、X向丝杠螺母副6、X向滑台7、X向丝杠28、X向导轨27，所述伺服电机2的输出轴通过联轴器4与X向丝杠28连接；所述伺服电机2的输出轴既可以随着联轴器4进行转动，又可以沿着联轴器4的轴线进行移动，通过类似螺旋测微仪原理将伺服电机2输出的动力转化成X向滑台7及其以上部件沿X向导轨28的直线运动，从而实现X向宏动调整。
[0007]所述Y向宏动调整机构包括伺服电机8、电机安装座9、联轴器10、y向丝杠支座11、y向滑台13、y向丝杠25、y向导轨26，所述伺服电机8的输出轴通过联轴器10与y向丝杠25连接；所述伺服电机8的输出轴既可以随着联轴器10进行转动，又可以沿着联轴器10的轴线进行移动，通过类似螺旋测微仪原理将伺服电机8输出的动力转化成y向滑台13及其以上部件沿y向导轨25的直线运动，从而实现y向宏动调整。
[0008]所述的精密压入单元包括金刚石压头18、连接件17、力传感器16、y向柔性铰链15、及y向封装陶瓷14，所述金刚石压头18安装在连接件17前端的安装孔内，所述力传感器16的前端安装在连接件17后端的安装孔内，力传感器16的后端与y向柔性铰链15的前端相连接；所述I向封装压电陶瓷14紧配合安装在y向柔性铰链15的槽内并用预紧螺钉12进行预紧。
[0009]所述的载荷与位移信号检测单元由力传感器16和y向封装压电陶瓷14组成，根据曲线拟合原理实验对载荷和位移的检测。
[0010]所述的划痕驱动单元由z向柔性铰链23及z向封装压电陶瓷24组成，所述z向柔性铰链通过螺钉与基座I连接，所述z向封装压电陶瓷24紧配合安装在z向柔性铰链23中间的槽内；在z向柔性铰链23后方设置有刚度增强板20，预紧螺钉22通过刚度增强板20上方的螺纹孔施加给z向柔性铰链23 —定的预紧力以增强系统刚度。
[0011]所述的加热单元由氮化硅加热元件21及云母片29组成；所述氮化硅加热元件21与被测试件19接触；所述云母片29置于氮化硅加热元件21与z向柔性铰链23之间实现隔热效果。
[0012]所述的微型精密原位纳米压痕及刻划测试装置安装在观测装置的载物台实现对材料的原位压痕及划痕测试，所述观测装置为扫描电子显微镜(SEM)。
[0013]发明的有益效果在于:设计新颖，结构简单、巧妙，体积小。利用伺服电机和封装压电陶瓷混合驱动技术设计了结构紧凑的宏动调整与精密压入单元，利用内嵌的封装压电陶瓷实现了对位移的检测；设计了划痕驱动单元实现了测试装置的刻划功能，内嵌的封装压电陶瓷实现了对刻划位移的检测，整机结构紧凑，可安置于扫描电子显微镜(SEM)的载物台上实现对材料的原位观测。本发明可以为材料科学、纳米技术、生物医学等领域前沿科学研究提供强有力的技术支持。
【附图说明】
[0014]此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
[0015]图1是本发明的立体结构示意图；
[0016]图2是本发明的主视示意图；
[0017]图3是本发明的俯视不意图；
[0018]图4是本发明的压电精密驱动压入单元的结构示意图；
[0019]图5是本发明的划痕驱动及加热单元的结构示意图。
[0020]图中:1.底座；2.伺服电机I ;3.电机支撑座I ;4.联轴器I ;5.x向丝杠支撑座；6.X向丝杠螺母副；7.X向滑台；8.伺服电机II ;9.电机支撑座II ;10.联轴器II ;11.1向丝杠支撑座；12.预紧螺钉I ;13.y向滑台；14.y向封装压电陶瓷；15.y向柔性铰链；16.力传感器；17.连接件；18.金刚石压头；19.被测试件；20.刚度增强板；21.氮化硅加热元件；22.预紧螺钉II ;23.z向柔性铰链；24.z向封装压电陶瓷；25.y向丝杠；26.y向导轨；27.X向导轨；28.x向丝杠；29.云母片。
【具体实施方式】
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