双行程混合驱动微纳米压痕/划痕测试装置的制作方法

本发明涉及精密传感器与精密仪器技术领域，特别涉及一种双行程混合驱动微纳米压痕/划痕测试装置。本发明可同时实现两种不同行程高精度微纳米压痕/划痕测试，在涉及半导体技术、先进材料与材料科学、航空航天和国防科工等领域具有十分重要的科学意义和广泛的应用前景。

背景技术

近年来，随着新材料合成和制备工艺不断提高，其特征尺寸越来越小，在使用传统的标准试验对其进行力学参数测量时，可能会出现夹持、对中等一系列问题。为此，鉴于传统的宏观硬度以及刻划试验，提出了微纳米压痕/划痕测试方法。

微纳米压痕/划痕测试技术主要利用高分辨力的载荷和位移传感器，实时采集、显示、处理载荷和位移数据，即准确可靠地测得压入载荷-深度曲线。通过微纳米压痕测试可以获得被测材料的硬度、弹性模量、断裂韧度、疲劳特性等参数；通过微纳米划痕测试则可以获得薄膜的临界附着力和摩擦系数等参数。由于微纳米压痕/划痕测试技术具有操作方便、样品制备简单、测试内容丰富等优点，目前广泛应用于薄膜和纳米材料、半导体材料、金属材料、先进功能材料和生物材料等各种材料的力学表征。

纳米级精密驱动技术和检测技术是实现精确压痕/划痕测试的核心技术支撑，利用磁致伸缩材料、形状记忆合金、压电材料以及音圈驱动器等均可实现精密驱动，相应驱动方案应用在微纳米压痕/划痕测试装置的设计研究深受国内外学术界和工程界的广泛关注，并设计出多种型式的样机，如中国专利（cn102288501a）涉及一种精密纳米压痕测试装置，基于矩形音圈电机直线驱动方式，具有结构简单、加工方便、定位精度高、响应迅速等优点；又如中国专利（cn104297082a）涉及一种原位微纳米压痕/划痕测试仪，结构新颖，宏观位置调整以及划痕测试采用伺服电机驱动方式，压痕加载通过压电元件实现，并具有可集成在扫描电子显微镜下实现原位观测的优点。但是现有设计方案往往无法同时兼顾大行程和高精度，突出体现在载荷检测方面，这将严重限制纳米压痕/划痕测试装置的通用性和实用性。因此，设计研发具有大行程、高精度、结构紧凑的微纳米压痕/划痕测试装置具有广泛的需求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种双行程混合驱动微纳米压痕/划痕测试装置，解决了现有微纳米压痕/划痕测试装置无法同时实现高精度和大行程两种加载模式及相应检测技术等缺陷，可同时实现两种不同行程高精度。本发明采用模块化设计思路，结构紧凑，安全可靠，既可实现对块状金属材料、薄膜材料及复合材料等常规纳米压痕/划痕测试，又可对生物组织等软材料进行大行程加载测试，实用性更强。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

双行程混合驱动微纳米压痕/划痕测试装置，包括混合驱动单元、载荷检测与量程切换单元、位移检测单元、样品移动单元、基座1、支撑板16和导轨滑块组件19，所述混合驱动单元、载荷检测与量程切换单元、位移检测单元通过支撑板16与导轨滑块组件19相连，固定在基座1上，并保证加载轴线与载荷检测轴线同轴；所述样品移动单元通过内六角圆柱头螺钉固连在基座1上，实现样品在x、y平面内的精密微动，并保证其安装表面与压入方向垂直。

所述的混合驱动单元通过音圈电机和压电叠堆-柔性铰链实现压入方向混合加载，其结构是：音圈电机内圈组件15与支撑板16通过输出端螺纹相连，音圈电机外圈13与固连在支撑板16上的电机固定支架14相连，实现压入方向宏观位移加载；压电叠堆11安放在与支撑板16相连的柔性铰链10上，柔性铰链10的输出端通过螺纹与载荷检测与量程切换单元直接相连，实现压入方向微动位移加载。

所述的载荷检测与量程切换单元通过调整传感器屏蔽罩和屏蔽架与力传感器的装配关系，结合调整螺母锁紧位置，以改变压力传递路线，从而实现不同加载模式下压入力精确测量，其结构是：样品托6通过螺纹与连接杆相连，螺母ⅱ24压紧可拆卸式传感器屏蔽罩4，大量程力传感器5两端分别通过螺纹与连接杆和样品移动单元相连；小量程力传感器8两端分别通过螺纹与连接轴和柔性铰链10相连，可拆卸式n型屏蔽架20、螺母ⅰ23以及压头连接套7都通过螺纹与连接轴相连，通过螺母ⅰ23、压头连接套7压紧位移测量臂21，可拆卸式n型屏蔽架20通过内六角圆柱头螺钉与支撑板16固连；压头22通过螺纹与压头连接套7连接，实现压入载荷的加载；当利用音圈电机宏观位移加载时，通过螺母ⅰ23压紧与支撑板16连接的可拆卸式n型屏蔽架20，使压头连接套7与小量程力传感器8隔离，同时拆除隔离大量程力传感器5的可拆卸式传感器屏蔽罩4，通过两块螺母ⅱ24使样品托6与大量程力传感器5直连，对宏观位移加载下压入载荷的精密测量；当利用压电叠堆-柔性铰链微观位移加载时，拆除可拆卸式n型屏蔽架20，通过螺母ⅰ23与小量程力传感器8直连，同时在大量程力传感器5上安装可拆卸式传感器屏蔽罩4，使样品托6与大量程力传感器5隔离，并用螺母ⅱ24压紧，对微观位移加载下压入载荷的精密测量。

所述的位移检测单元是：电容位移传感器9连接在手动位移平台12上，手动位移平台12通过内六角圆柱头螺钉固定在支撑板16上，实现对微观位移加载中压入深度的精确测量；光栅尺组件18通过光栅尺组件安装架17分别固定在支撑板16和基座1上，实现量程切换时装配关系调整以及宏观位移加载中压入深度的精确测量。

所述的样品移动单元是：x向精密压电驱动平台2通过内六角圆柱头螺钉与z向精密压电驱动平台3相连，并最终与基座1相连，实现样品压入位置更换以及划痕测试载荷加载。

本发明的有益效果在于：

1、本发明结构简单，布局紧凑，基于音圈电机、压电叠堆-柔性铰链实现混合驱动，既可实现对块状金属材料、薄膜材料及复合材料等常规纳米压痕/划痕测试，又可对生物组织等软材料进行大行程加载测试，应用范围更加广泛。

2、本发明采用模块化设计，以混合驱动和载荷检测与量程切换单元为基础，结合位移检测单元用于实现不同加载行程和压入载荷的精确测量，并集成样品移动单元用于实现对样品的压入位置更换以及划痕测试，同时模块化设计也有利于整机组合安装、改进优化及维护保养。

3、本发明通过调整屏蔽罩（架）与力传感器装配关系的方法，解决了大量程、高精度力传感器各自优点无法兼得的问题，具有技术难度低、抗干扰能力强的优点，同时利用分段测量的方式，降低由于传递路线过长导致的背隙、装配误差等因素对测量精度的影响。

附图说明

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。

图1为本发明的体结构轴测图；

图2为本发明的大量程载荷加载状态俯视图；

图3为本发明的大量程载荷加载状态剖视图；

图4为本发明的小量程载荷加载状态俯视图；

图5为本发明的小量程载荷加载状态剖视图。

图中：1、基座；2、x向精密压电驱动平台；3、z向精密压电驱动平台；4、可拆卸式传感器屏蔽罩；5、大量程力传感器；6、样品托；7、压头连接套；8、小量程力传感器；9、电容位移传感器；10、柔性铰链；11、压电叠堆；12、手动位移平台；13、音圈电机外圈；14、电机固定支架；15、音圈电机内圈组件；16、支撑板；17、光栅尺组件安装架；18、光栅尺组件；19、导轨滑块组件；20、可拆卸式n型屏蔽架；21、位移测量臂；22、压头；23、螺母ⅰ；24、螺母ⅱ。

具体实施方式

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。

参见图1至图5所示，本发明的双行程混合驱动微纳米压痕/划痕测试装置，既可实现对块状金属材料、薄膜材料及复合材料等常规纳米压痕/划痕测试，又可对生物组织等软材料进行大行程加载测试，实用性更强。本发明利用音圈电机、压电叠堆-柔性铰链实现混合驱动，通过调整屏蔽罩（架）与力传感器装配关系，采用分段载荷检测与量程切换方式，结合位移检测单元可实现不同加载行程和压入载荷的精确测量，并集成样品移动单元用于实现对样品的压入位置更换以及划痕测试。本发明采用模块化设计思路，结构简单、布局紧凑，安全可靠，既可实现对块状金属材料、薄膜材料及复合材料等常规纳米压痕/划痕测试，又可对生物组织等软材料进行大行程加载测试，实用性更强。包括混合驱动单元、载荷检测与量程切换单元、位移检测单元、样品移动单元、基座1、支撑板16和导轨滑块组件19，所述混合驱动单元、载荷检测与量程切换单元、位移检测单元通过支撑板16与导轨滑块组件19相连，固定在基座1上，并保证加载轴线与载荷检测轴线同轴度要求；所述样品移动单元通过内六角圆柱头螺钉固连在基座1上，可实现样品在x、y平面内的精密微动，并保证其安装表面与压入方向垂直精度要求。

所述的混合驱动单元，由柔性铰链10、压电叠堆11、音圈电机内圈组件15、音圈电机外圈13和电机固定支架14组成；通过音圈电机和压电叠堆-柔性铰链实现压入方向混合加载，其中音圈电机内圈组件15与支撑板16通过输出端螺纹相连，音圈电机外圈13与固连在支撑板16上的电机固定支架14相连，实现压入方向宏观位移加载和接触判断；压电叠堆11安放在与支撑板16相连的柔性铰链10上，其中柔性铰链10的输出端通过螺纹与载荷检测与量程切换单元直接相连，实现压入方向微动位移加载。

所述的载荷检测与量程切换单元是：由压头22、压头连接套7、位移测量臂21、螺母ⅰ23、可拆卸式n型屏蔽架20、小量程力传感器8、样品托6、螺母ⅱ24、可拆卸式传感器屏蔽罩4和大量程力传感器5组成；通过调整传感器屏蔽罩和屏蔽架与力传感器的装配关系，结合调整螺母锁紧位置，以改变压力传递路线，从而实现不同加载模式下压入力精确测量，

其中样品托6通过螺纹与连接杆相连，螺母ⅱ24压紧可拆卸式传感器屏蔽罩4，大量程力传感器5两端分别通过螺纹与连接杆和样品移动单元相连；小量程力传感器8两端分别通过螺纹与连接轴和柔性铰链10相连，可拆卸式n型屏蔽架20、螺母ⅰ23以及压头连接套7都通过螺纹与连接轴相连，其中利用螺母ⅰ23、压头连接套7压紧位移测量臂21，可拆卸式n型屏蔽架20通过内六角圆柱头螺钉与支撑板16固连；压头22通过螺纹与压头连接套7连接，实现压入载荷的加载；当利用音圈电机宏观位移加载时，通过螺母ⅰ23压紧与支撑板16连接的可拆卸式n型屏蔽架20，使压头连接套7与小量程力传感器8隔离，同时拆除隔离大量程力传感器5的可拆卸式传感器屏蔽罩4，通过两块螺母ⅱ24使样品托6与大量程力传感器5直连，用于对宏观位移加载下压入载荷的精密测量；当利用压电叠堆-柔性铰链微观位移加载时，拆除可拆卸式n型屏蔽架20，通过螺母ⅰ23与小量程力传感器8直连，同时在大量程力传感器5上安装可拆卸式传感器屏蔽罩4，使样品托6与大量程力传感器5隔离，并用螺母ⅱ24压紧，用于对微观位移加载下压入载荷的精密测量。

所述的位移检测单元是：由电容位移传感器9、手动位移平台12、光栅尺组件安装架17和光栅尺组件18组成；其中电容位移传感器9通过安装架连接在手动位移平台12上，手动位移平台12通过内六角圆柱头螺钉固定在支撑板16上，用于实现对微观位移加载中压入深度的精确测量；光栅尺组件18通过光栅尺组件安装架17分别固定在支撑板16和基座1上，用于实现量程切换时装配关系调整以及宏观位移加载中压入深度的精确测量。

所述的样品移动单元，由x向精密压电驱动平台2和z向精密压电驱动平台3组成；x向精密压电驱动平台2通过内六角圆柱头螺钉与z向精密压电驱动平台3相连，并最终与基座1相连，用于实现样品压入位置更换以及划痕测试载荷加载。

参见图2和图3所示，在大行程加载测试过程中，首先将大量程力传感器5外层的可拆卸式传感器屏蔽罩4拆卸下来，再将两块螺母ⅱ24压紧大量程力传感器5，并使得螺母ⅱ24顶面和样品托6相接触，起到防松的目的。同时通过调整可拆卸式n型屏蔽架20上的两列长条孔的位置，并利用四个内六角圆柱头螺钉固定在支撑板16上，并保证与小量程力传感器8端部不接触。

在上述操作之后进入工作状态，载荷的传递路线为由音圈电机内圈组件15输出端导出，然后再通过支撑板16和可拆卸式n型屏蔽架20传递到压头连接套7，利用压头22对与大量程力传感器5直连的样品托6上粘贴的样品施加y向压入载荷。此时，大量程力传感器5处于工作状态测量压入载荷，而小量程力传感器8处于屏蔽状态，并通过光栅尺组件18测量压入深度，实现大行程微米压痕/划痕测试试验。

参见图4和图5所示，在小行程加载测试过程中，首先将小量程力传感器8端部的可拆卸式n型屏蔽架20拆卸下来，再将一块螺母ⅰ23压紧小量程力传感器8，另一块压紧位移测量臂21。同时在大量程力传感器5外层安装可拆卸传感器屏蔽罩4，利用螺母ⅱ24压紧，并保证螺母ⅱ24顶面和样品托6保持接触。

在上述操作之后进入工作状态，载荷的传递路线为由固定在支撑板16上的压电叠堆11经柔性铰链10放大导出，然后通过螺纹连接杆传递到压头连接套7，利用压头22对安装在可拆卸传感器屏蔽罩4外的样品托6上粘贴的样品施加y向压入载荷。此时，大量程力传感器5处于屏蔽状态，而小量程力传感器8处于工作状态测量压入载荷，并通过安装在手动位移平台12上的电容位移传感器9测量压入深度，实现小行程纳米压痕/划痕测试试验。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。