原位压/划痕测试装置.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局*CN102928307A*(12)发明专利申请(10)申请公布号CN102928307A(43)申请公布日2013.02.13(21)申请号201210418066.3(22)申请日2012.10.26(71)申请人吉林大学地址130025吉林省长春市人民大街5988号(72)发明人赵宏伟米杰黄虎邵明坤(74)专利代理机构吉林长春新纪元专利代理有限责任公司22100代理人王怡敏(51)Int.Cl.G01N3/40(2006.01)权利要求书权利要求书1页1页说明书说明书44页页附图附图33页(54)发明名称原位压/划痕测试装置(57)摘要本发明涉及一种原位压/划痕测试装置，属于机电一体化精密科学仪器领域。包括X、Y方向精密定位平台、Z方向精密线性定位平台、精密压入驱动单元、载荷信号检测和位移信号检测单元，其中，所述X、Y方向精密定位平台通过连接板Ⅱ固定在底座上，载物台通过X、Y向压电叠堆与X、Y方向精密定位平台连接；Z方向精密线性定位平台装配在底座上；精密压入驱动单元的步进电机、导轨分别固定在底座上；载荷信号检测和位移信号检测单元固定在底座上。优点在于：体积小、结构紧凑、质量轻、刚性好、定位精度高。可以实现特征尺寸毫米级以上三维试件的力学性能测试，位移加载分辨率达到纳米级，加载力分辨率达到微牛级。CN1029837ACN102928307A权利要求书1/1页1.一种原位压/划痕测试装置，其特征在于：包括X、Y方向精密定位平台、Z方向精密线性定位平台、精密压入驱动单元、载荷信号检测和位移信号检测单元，其中，所述X、Y方向精密定位平台通过连接板Ⅱ（3）固定在底座（13）上，载物台（5）通过X、Y向压电叠堆（17）、（14）与X、Y方向精密定位平台连接；Z方向精密线性定位平台由Z向压电叠堆（12）和Z向柔性铰链（9）构成并装配在底座（13）上；精密压入驱动单元由步进电机（1）、连接板Ⅰ（2）及导轨（16）组成，所述步进电机（1）、导轨（16）分别固定在底座（13）上；载荷信号检测和位移信号检测单元的八片电阻应变片分别固定在Z向柔性铰链（9）上，所述载荷信号检测和位移信号检测单元通过Z向柔性铰链（9）固定在底座（13）上。2.根据权利要求1所述的原位压/划痕测试装置，其特征在于：所述的X、Y方向精密定位平台由X、Y向压电叠堆（17）、（14）以及X、Y向柔性铰链（18）、（15）组成，所述X向压电叠堆（17）嵌入X向柔性铰链（18）构成X向驱动铰链，Y向压电叠堆（14）嵌入Y向柔性铰链（15）构成Y向驱动铰链，Y向驱动铰链通过螺钉固定在X向驱动铰链之上，X向驱动铰链并通过连接板Ⅱ（2）固定在底座（13）上；X、Y向压电叠堆（17）、（14）驱动载物台（5），从而实现X、Y方向的精密定位。3.根据权利要求1所述的原位压/划痕测试装置，其特征在于：所述的Z方向精密线性定位平台由Z向压电叠堆（12）和Z向柔性铰链（9）构成Z向驱动铰链，并通过螺钉连接装配在底座（13）上；金刚石压头（6）通过锁紧螺钉与Z向柔性铰链（9）固定连接，从而实现Z方向的精密压入，其压入量经由电阻应变片检测系统测量并作为反馈信号实现位移闭环控制，最终实现Z向精密定位。4.根据权利要求1所述的原位压/划痕测试装置，其特征在于：所述的精密压入驱动单元由步进电机（1）、连接板Ⅰ（2）、导轨（16）组成，所述步进电机（1）、导轨（16）分别固定在底座（13）上，所述步进电机（1）输出轴为螺杆，与嵌入在连接板Ⅰ（2）的螺母（4）配合，从而输出直线位移。5.根据权利要求1所述的原位压/划痕测试装置，其特征在于：所述的载荷信号检测和位移信号检测单元由八片电阻应变片及Z向柔性铰链（9）构成，其中电阻应变片Ⅰ~Ⅳ（7a、7b、8a、8b）实现载荷力的测量，即（其中ε为电阻应变片的线应变）；电阻应变片Ⅰ~Ⅷ（7a、7b、8a、8b、10a、10b、11a、11b）组合可以测出压入深度，即。6.根据权利要求1所述的原位压/划痕测试装置，其特征在于：所述的原位压/划痕测试装置所用材质为铝合金，可在扫描电子显微镜腔体内使用，进而实现纳米压痕/划痕的原位观测。2CN102928307A说明书1/4页原位压/划痕测试装置技术领域[0001]本发明涉及机电一体化精密科学仪器领域，特别涉及一种集驱动、加载、检测为一体的原位压/划痕测试装置。背景技术[0002]近年来，随着工业的现代化、规模化、产业化，以及高新技术和国防技术的发展，对各种材料表面性能的要求越来越高。20世纪80年代，现代表面技术被国际科技界誉为最具发展前途的十大技术之一，世界各国都非常重视材料的纳米级表层的物理、化学、机械性能及其检测方法的研究。目前，薄膜的厚度己经达到了微米级，甚至于纳米级的层次