微纳米级原位纳米压痕刻划测试系统技术方案

本实用新型专利技术涉及集驱动、精密加载与信号检测、微纳米级力学性能测试、超精密刻划加工和高分辨率原位观测为一体的微纳米级原位纳米压痕刻划测试系统。该系统主要由Ｘ、Ｙ轴方向精密定位平台、Ｚ轴方向的精密线性定位平台和精密压入驱动单元、载荷信号和位移信号的检测单元、用于观测存储测试过程中材料变形、损伤状况的高分辨率数字显微成像系统组成。Ｘ、Ｙ轴方向精密定位平台装配在底座上，Ｚ轴方向的精密线性定位平台装配在侧板上，精密压入驱动单元、检测金刚石工具头压入材料压力的精密力学传感器和检测Ｚ方向金刚石工具头压入深度的精密位移传感器装配在Ｚ轴方向的精密线性定位平台上，高分辨率数字显微成像系统装配在横梁上。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及集驱动、精密加载与检测、微纳米级力学性能测试、超精密刻划加 工和原位观测为一体的精密自动化试验测试系统，特别是对于各类试件或材料的微观力学 性能测试中的纳米压/划痕实验、原位纳米压/划痕实验和微纳米级原位金刚石刻划加工 的装置，属于光机电一体化的精密测试仪器。精密仪器是推动科技进步，社会发展的重要保 证，本技术是用于测定各类试件或材料的微观力学性能参数的专用测试仪器，可以对 精密元件的力学性能、服役行为进行测试评估，在设计制造环节优化工艺、改善其性能甚至 提高其使用寿命，并可在高分辨率数字显微成像系统下实时观测被测试件或材料的变形、 损伤过程，有助于对材料损伤机理的研究与分析，并可用于金刚石的精密刻划痕加工，对我 国精密仪器、微电子技术、信息科学、冶金制造、微机电系统、生物医学工程、汽车飞机关键 零部件设计制造等产业
的发展将具有广泛的实用价值，是拓宽光学元件、微电子 元件、冶金材料等领域设计-制造-改进这一瓶颈的有效途径。
技术介绍
微纳米级材料力学性能的测试技术主要包括纳米压痕(Nanoindentation)、纳米 划痕(Nanoscratch)、原子力显微镜(AFM)、微机电系统(MEMS)专用测试技术(如微拉伸 等)及相关支撑技术等。按照测试中是否可通过电子显微镜等仪器在线实时监测材料的变 形和损伤状况，又可分为原位(In situ)测试和非原位(Ex situ)测试。所谓的原位(或 在位)测试，是指对被测件力学性能测试中进行的在线连续监测和分析；与之对应的是非 原位测试(又称异位或移位测试)，是指利用实验前或实验后的试件进行力学性能分析。目 前绝大多数的纳米力学研究停留在非原位测试技术上。(1)纳米力学性能测试中的支撑技术_精密驱动与检测技术纳米尺度的力学性能测试是以超精密驱动和载荷力/位移(或变形)的精密检测 为支撑技术发展起来的。微纳米级精密驱动单元是现代高科技领域的重要工作单元，自上 世纪中后期以来，出现了利用电致/磁致伸缩材料、形状记忆合金、压电陶瓷等智能材料实 现精密驱动的研究。由于压电元件在“逆压电效应”作用下可产生精密可控的变形，并具有 结构紧凑、承载能力强、分辨率高、能量转换效率高和无电磁干扰等优点，以压电元件作为 动力转换元件的精密驱动研究成为近些年的热点，并对惯性冲击式、尺蠖式、粘滑式驱动机 构和微位移工作台等多种压电驱动器进行了深入的研究，这些研究成果在超精加工、微细 操作、精密仪器、生物医学工程等领域展现了较为广阔的应用前景。在纳米级变形的检测 上，目前主要通过光学三角法、干涉法、电容式检测等手段实现；而在微载荷的检测上，研究 人员主要利用敏感元件将载荷力转换为弹性元件的微变形，进而通过对变形量或由变形引 起的电容(或应变)变化量进行检测得到加载力。(2)非原位(Ex situ)纳米压痕/刻划测试技术纳米力学测试中如不能通过电子显微镜等仪器动态监视材料的变形损伤，即为 “非原位(Ex-situ)纳米力学测试”。目前决大多数的纳米力学测试停留在非原位测试上，其中以纳米压痕和纳米刻划最具代表性。纳米压痕测试通过检测分析金刚石工具头施加给试 件的加载力、试件变形和载荷-压深曲线，可测材料硬度和弹性模量等参数。纳米刻划可用 来研究三维试件和薄膜等的界面强度以及刻划抗力等特性。现在这两项技术已较为成熟， 美国MTS和Hysitron、瑞士 CSM、英国MML等公司都有商业化产品.目前，我国还不具备具 有自主知识产权的这类技术。但这些商业化测试仪器无法动态监视测试中材料发生的变形损伤状况，制约了研 究的深入；它们通过多个单自由度的运动模块组装起来实现多自由度的运动输出，导致结 构庞大、传动环节复杂，增加了测试误差、削弱了系统的抗干扰性；由于大都采用电磁或静 电驱动方式实现精密驱动加载，造成这类仪器在工作中存在较显著的电磁干扰。当前我国 还没有该技术的自主知识产权产品。进口国外设备价格昂贵、维护使用费用高，且出于军事 和高技术附加值领域的产业化应用考虑，国外高端技术设备对我国还封销禁运，以致在很 大程度上制约了我国材料科学和微电子技术等学科和产业的发展。(3)原位(In situ)纳米力学性能测试技术原位纳米力学测试是基于以上多项技术于一体在最近几年才发展起来的，一经提 出即受到美国政府的高度重视，麻省理工学院(MIT)、加州大学伯克利分校(UC Berkeley) 和西北大学等，美国劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)和劳伦斯利弗莫尔国家实验室 (LLNL)等以及顶级电镜制造商FEI等，在美国能源部(DOE)、科学基金会(NSF)和国防部 (DOD)等政府机构资助下，投入了相当的人力、物力开展此项研究。美国LLNL和LBNL的M.A.Wall等人率先研制了 一种通过齿轮马达和压电元 件实现精密驱动的原位纳米压痕装置；加州大学伯克利分校(UC Berkeley)和LBNL的 A. M. Minor等人通过压电直动式驱动装置推动掺杂的金刚石工具头也在TEM原位监测下开 展了铝薄膜的纳米压痕测试；美国MIT的S. Suresh,Northwestern大学H. D. Espinosa和我 国北京工大的张泽院士等人还研制了基于MEMS工艺的专用测试装置，分别对极微小的人 体细胞、纳米线和纳米管等开展了原位纳米力学测试，取得了一些标志性研究成果。但是上述测试装置都存在着不足LLNL和LBNL的M.A.Wall等人开发的装置由 于不能检测加载力导致无法测试材料力学参数，不能研究载荷作用对材料变形损伤的影响 规律；A. M. Minor等的装置通过施加在压电元件上的电压与其变形量关系经换算得到加载 力，造成测试复杂、离线操作环节过多，还存在加载力换算的模型误差和参数误差，影响了 测试结果在量值上的可信性；基于MEMS工艺的测试装置存在专门用途的限制。由于这些不 足，使得上述装置无法对特征尺寸毫米级以上的三维试件开展测试，为了进行测试还必须 通过“掩膜、腐蚀、沉积”等工艺制作结构极微小的专门试件，准备工作复杂繁琐。另外，由 于试件尺寸极为微小，其固定方式、边界条件及其与金刚石工具头间尺寸效应等对测试结 果影响十分显著，因此利用该测试结果去评价衡量较大尺寸三维试件的综合力学性能缺乏 可信性。针对三维试件的原位纳米力学测试研究，目前仅见于瑞士联邦理工学院 J. Michlei^PR. Rabe,日本东北大学W. Gao和赵宏伟副教授所在项目组等开展的部分工作。J. Michler等人在欧洲框架计划和瑞士联邦政府资助下研制了一种原位纳米刻 划测试装置，采用粘滑式(Stick-Slip)压电驱动机构作为驱动动力源，利用电容式位移传 感器和应变式力传感器检测工具头压入试件的深度和压力，并在扫描电镜(SEM)原位监视下研究了砷化镓(GaAs)在连续刻划力作用下的变形损伤情况。该装置可测试件最大尺寸 Φ8X 5mm、加载力分辨率lmN，可承载最大试件重量仅为10g。受粘滑式压电驱动机理的制 约工作中存在无法克服的后冲现象(幅度达30-100nm)，且在每个运动周期内核心驱动单 元都会产生微幅振动，驱动装置的定位误差还导致加载力存在很大误差和不可控性，严重 影响了测试本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微纳米级原位纳米压痕刻划测试系统，主要由Ｘ、Ｙ和Ｚ轴方向定位平台、驱动和检测单元以及用于观测存储测试过程中材料变形、损伤状况的高分辨率数字显微成像系统组成，其特征在于，所述的Ｘ、Ｙ和Ｚ轴方向定位平台中的Ｘ、Ｙ轴方向精密定位平台（１７）通过能同时沿Ｘ、Ｙ轴方向移动的滑动机构装配在底座（２）上，Ｚ轴方向的精密线性定位平台（６）与固定在底座（２）上的侧板（３）滑动配合，所述的驱动和检测单元安装在Ｚ轴方向的精密线性定位平台（６）上，高分辨率数字显微成像系统装配在与底座（２）固定安装的横梁（１０）上。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：赵宏伟，黄虎，曲兴田，曲涵，隋航，
申请(专利权)人：赵宏伟，
类型：实用新型
国别省市：82[中国|长春]