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固體薄膜納米壓痕連續(xù)測(cè)量儀的制作方法
【專利摘要】固體薄膜納米壓痕連續(xù)測(cè)量儀，包括底座、水平氣動(dòng)定位裝置、Z軸定位裝置、顯微鏡瞄準(zhǔn)裝置，所述的水平氣動(dòng)定位裝置包括氣浮定位平臺(tái)底座、兼做X軸氣動(dòng)定位平臺(tái)的導(dǎo)軌、Y軸氣動(dòng)定位平臺(tái)、電機(jī)軸座、電機(jī)、電機(jī)推桿、氣浮滑塊和頂板；所述的Z軸定位裝置包括Z軸加載塊、過渡板、滑臺(tái)、加載塊壓箱、步進(jìn)電機(jī)、絲桿；所述的顯微鏡瞄準(zhǔn)裝置包括顯微鏡本體、線圈磁鐵驅(qū)動(dòng)器、壓針和用于探測(cè)壓針位移的位移傳感器，所述的壓針與所述的線圈磁鐵驅(qū)動(dòng)器電連接。本實(shí)用新型的有益效果是：適用于測(cè)量薄膜、鍍層、微機(jī)電系統(tǒng)中的材料等微小體積材料力學(xué)性能；可以測(cè)定在納米尺度上測(cè)量材料的各種力學(xué)性質(zhì)。
【專利說明】固體薄膜納米壓痕連續(xù)測(cè)量儀
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種固體薄膜納米壓痕連續(xù)測(cè)量儀。
【背景技術(shù)】
[0002]納米壓痕(又稱深度敏感壓痕)測(cè)量技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的一種新技術(shù)，目前已被廣泛的應(yīng)用在許多科學(xué)領(lǐng)域。它可以在不用分離薄膜與基底材料的情況下直接得到薄膜材料的許多力學(xué)性質(zhì)。例如:彈性模量，硬度，內(nèi)應(yīng)力等等。傳統(tǒng)的壓痕測(cè)量是將一特定形狀和尺寸的壓頭在一垂直壓力下將其壓入試樣，當(dāng)壓力撤除后。通過測(cè)量壓痕的斷截面面積，人們可以得到被測(cè)材料的硬度。這種測(cè)量方法的缺點(diǎn)是僅僅能夠得到材料的塑性性質(zhì)，而且這種測(cè)量方法只能適用于較大尺寸的試樣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了解決目前的納米壓痕僅能夠得到材料的塑性性質(zhì)、并且只能適用于較大尺寸的試樣的問題，本實(shí)用新型提出了一種能測(cè)定多種性能參數(shù)、適用范圍廣的固體薄膜納米壓痕連續(xù)測(cè)量儀。
[0004]本實(shí)用新型所述的固體薄膜納米壓痕連續(xù)測(cè)量儀，其特征在于:包括底座、水平氣動(dòng)定位裝置、Z軸定位裝置、顯微鏡瞄準(zhǔn)裝置，所述的水平氣動(dòng)定位裝置包括氣浮定位平臺(tái)底座、兼做X軸氣動(dòng)定位平臺(tái)的導(dǎo)軌、Y軸氣動(dòng)定位平臺(tái)、電機(jī)軸座、電機(jī)、電機(jī)推桿、氣浮滑塊和頂板，所述的氣浮定位平臺(tái)底座固定在所述的底座上，所述的電機(jī)軸座和所述的導(dǎo)軌均安裝在所述的氣浮定位平臺(tái)底座上；所述的氣浮滑塊與所導(dǎo)軌內(nèi)側(cè)貼合，并且每根導(dǎo)軌對(duì)應(yīng)一個(gè)氣浮滑塊；所述的電機(jī)的輸出軸通過電機(jī)推桿與電機(jī)軸連接；所述的頂板鋪設(shè)在導(dǎo)軌上方，并且所述的頂板與電機(jī)軸固定；所述的頂板上安裝Y軸氣動(dòng)定位平臺(tái)；
[0005]所述的Z軸定位裝置包括Z軸加載塊、過渡板、滑臺(tái)、加載塊壓箱、步進(jìn)電機(jī)、絲桿，所述的滑臺(tái)下端安裝在所述的底座上，所述的過渡板安裝在所述的滑臺(tái)上端的絲桿上，并且所述的絲桿與所述的步進(jìn)電機(jī)的輸出軸相連；所述的顯微瞄準(zhǔn)裝置和所述的加載塊壓箱安裝在所述的過渡板上，并且所述的顯微瞄準(zhǔn)裝置的瞄準(zhǔn)鏡指向所述的水平氣動(dòng)定位裝置；所述的Z軸加載塊安裝在所述的加載塊壓箱的加載塊支撐體上；所述的顯微鏡瞄準(zhǔn)裝置安裝在所述的加載塊壓箱的底部；所述的顯微鏡瞄準(zhǔn)裝置包括顯微鏡本體、線圈磁鐵驅(qū)動(dòng)器、壓針和用于探測(cè)壓針位移的位移傳感器，所述的壓針與所述的線圈磁鐵驅(qū)動(dòng)器電連接。
[0006]所述的氣浮滑塊設(shè)有供氣孔道和節(jié)流孔，并且所述的供氣孔道的一端與外界的氣泵連通；與供氣孔道另一端連通的所述的節(jié)流孔的出氣口面向?qū)к壓蜌飧《ㄎ黄脚_(tái)底座的方向。
[0007]所述的導(dǎo)軌為倒L形，所述的氣浮滑塊為與導(dǎo)軌匹配的正L形。
[0008]所述的顯微鏡本體底部裝有用于豎直定位的支撐彈簧，所述的支撐彈簧套在所述的壓針下端，并且所述的壓針的壓頭伸出所述的支撐彈簧。[0009]所述的位移傳感器為電容式位移傳感器。
[0010]所述的氣浮滑塊與導(dǎo)軌、底座的相對(duì)面形成的氣膜厚度為10 μ m。
[0011]工作原理:首先通過氣泵向氣浮滑塊內(nèi)不停的充氣，使得氣浮滑塊的供氣孔道中通入一定氣壓的氣體，氣體經(jīng)過節(jié)流孔在氣浮滑塊與導(dǎo)軌、底座的相對(duì)面中形成10 μ m左右的氣膜，氣膜支撐氣浮滑塊與頂板組成的滑臺(tái)，在直線電機(jī)的作用下由電機(jī)軸和電機(jī)軸推桿的帶動(dòng)下作一維的X或Y軸直線運(yùn)動(dòng)；Z軸滑臺(tái)固定在底座上，過渡板與滑臺(tái)之間有絲桿進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的傳遞，固定在過渡板上的顯微鏡瞄準(zhǔn)裝置和加載塊壓箱，隨著過渡板的移動(dòng)而進(jìn)行移動(dòng)，從而帶動(dòng)加載塊以及加載快支撐體運(yùn)動(dòng)，即步進(jìn)電機(jī)通過絲桿使過渡板沿著滑臺(tái)進(jìn)行豎直移動(dòng)帶動(dòng)過渡板上的顯微鏡瞄準(zhǔn)裝置和加載塊、加載塊支撐體加載塊壓箱運(yùn)動(dòng)，待顯微鏡瞄準(zhǔn)裝置中出現(xiàn)明顯待測(cè)物體的像時(shí)，驅(qū)動(dòng)線圈磁鐵驅(qū)動(dòng)器，使得壓針向下運(yùn)動(dòng)，并且在支承彈簧的作用下，確保了圧針的豎直運(yùn)動(dòng)，減小了誤差，再由電容式位移傳感器獲取壓頭位移的變化，獲得所要求的微位移變化的數(shù)據(jù)。
[0012]本實(shí)用新型的有益效果是:可以獲得小到納米級(jí)的壓深，尤其適用于測(cè)量薄膜、鍍層、微機(jī)電系統(tǒng)中的材料等微小體積材料力學(xué)性能；可以在納米尺度上測(cè)量材料的各種力學(xué)性質(zhì)，如載荷-位移曲線、彈性模量、硬度、斷裂韌性、應(yīng)變硬化效應(yīng)、粘彈性或蠕變行為等。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為本實(shí)用新型的微力微位移測(cè)量儀三維裝配圖。
[0014]圖2為本實(shí)用新型的氣浮定位平臺(tái)三維裝配圖。
[0015]圖3為本實(shí)用新型的加載塊三維圖。
[0016]圖4為本實(shí)用新型的加載裝置三維裝配圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本實(shí)用新型
[0018]參照附圖:
[0019]本實(shí)用新型所述的固體薄膜納米壓痕連續(xù)測(cè)量儀，包括底座1、水平氣動(dòng)定位裝置
2、Z軸定位裝置3、顯微鏡瞄準(zhǔn)裝置4，所述的水平氣動(dòng)定位裝置2包括氣浮定位平臺(tái)底座21、兼做X軸氣動(dòng)定位平臺(tái)的導(dǎo)軌22、Y軸氣動(dòng)定位平臺(tái)23、電機(jī)軸座24、電機(jī)、電機(jī)推桿25、氣浮滑塊26和頂板27，所述的氣浮定位平臺(tái)底座21固定在所述的底座I上，所述的電機(jī)軸座24和所述的導(dǎo)軌22均安裝在所述的氣浮定位平臺(tái)底座21上；所述的氣浮滑塊26與所導(dǎo)軌22內(nèi)側(cè)貼合，并且每根導(dǎo)軌22對(duì)應(yīng)一個(gè)氣浮滑塊26 ;所述的電機(jī)的輸出軸通過電機(jī)推桿25與電機(jī)軸271連接；所述的頂板27鋪設(shè)在導(dǎo)軌22上方，并且所述的頂板27與電機(jī)軸271固定；所述的頂板27上安裝Y軸氣動(dòng)定位平臺(tái)23 ；
[0020]所述的Z軸定位裝置3包括Z軸加載塊31、過渡板32、滑臺(tái)33、加載塊壓箱34、步進(jìn)電機(jī)35、絲桿36，所述的滑臺(tái)33下端安裝在所述的底座I上，所述的過渡板32安裝在所述的滑臺(tái)33上端的絲桿36上，并且所述的絲桿36與所述的步進(jìn)電機(jī)35的輸出軸相連；所述的顯微瞄準(zhǔn)裝置4和所述的加載塊壓箱34安裝在所述的過渡板32上，并且所述的顯微瞄準(zhǔn)裝置4的瞄準(zhǔn)鏡指向所述的水平氣動(dòng)定位裝置2 ;所述的Z軸加載塊31安裝在所述的加載塊壓箱34的加載塊支撐體341上；所述的顯微鏡瞄準(zhǔn)裝置4安裝在所述的加載塊壓箱34的底部；所述的顯微鏡瞄準(zhǔn)裝置4包括顯微鏡本體41、線圈磁鐵驅(qū)動(dòng)器42、壓針43和用于探測(cè)壓針位移的位移傳感器44，所述的壓針43與所述的線圈磁鐵驅(qū)動(dòng)器44電連接。
[0021]所述的氣浮滑塊26設(shè)有供氣孔道和節(jié)流孔，并且所述的供氣孔道的一端與外界的氣泵連通；與供氣孔道另一端連通的所述的節(jié)流孔的出氣口面向?qū)к壓蜌飧《ㄎ黄脚_(tái)底座的方向。
[0022]所述的導(dǎo)軌22為倒L形，所述的氣浮滑塊26為與導(dǎo)軌匹配的正L形。
[0023]所述的顯微鏡本體41底部裝有用于豎直定位的支撐彈簧45，所述的支撐彈簧45套在所述的壓針43下端，并且所述的壓針43的壓頭伸出所述的支撐彈簧45。
[0024]所述的位移傳感器44為電容式位移傳感器。
[0025]所述的氣浮滑塊26與導(dǎo)軌22、底座I的相對(duì)面形成的氣膜厚度為10 μ m。
[0026]工作原理:首先通過氣泵向氣浮滑塊內(nèi)不停的充氣，使得氣浮滑塊的供氣孔道中通入一定氣壓的氣體，氣體經(jīng)過節(jié)流孔在氣浮滑塊與導(dǎo)軌、底座的相對(duì)面中形成10 μ m左右的氣膜，氣膜支撐氣浮滑塊與頂板組成的滑臺(tái)，在直線電機(jī)的作用下由電機(jī)軸和電機(jī)軸推桿的帶動(dòng)下作一維的X或Y軸直線運(yùn)動(dòng)；Z軸滑臺(tái)固定在底座上，過渡板與滑臺(tái)之間有絲桿進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的傳遞，固定在過渡板上的顯微鏡瞄準(zhǔn)裝置和加載塊壓箱，隨著過渡板的移動(dòng)而進(jìn)行移動(dòng)，從而帶動(dòng)加載塊以及加載快支撐體運(yùn)動(dòng)，即步進(jìn)電機(jī)通過絲桿使過渡板沿著滑臺(tái)進(jìn)行豎直移動(dòng)帶動(dòng)過渡板上的顯微鏡瞄準(zhǔn)裝置和加載塊、加載塊支撐體加載塊壓箱運(yùn)動(dòng)，待顯微鏡瞄準(zhǔn)裝置中出現(xiàn)明顯待測(cè)物體的像時(shí)，驅(qū)動(dòng)線圈磁鐵驅(qū)動(dòng)器，使得壓針向下運(yùn)動(dòng)，并且在支承彈簧的作用下，確保了圧針的豎直運(yùn)動(dòng)，減小了誤差，再由電容式位移傳感器獲取壓頭位移的變化，獲得所要求的微位移變化的數(shù)據(jù)。
[0027]本說明書實(shí)施例所述的內(nèi)容僅僅是對(duì)實(shí)用新型構(gòu)思的實(shí)現(xiàn)形式的列舉，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍不應(yīng)當(dāng)被視為僅限于實(shí)施例所陳述的具體形式，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍也包括本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本實(shí)用新型構(gòu)思所能夠想到的等同技術(shù)手段。
【權(quán)利要求】
1.固體薄膜納米壓痕連續(xù)測(cè)量儀，其特征在于:包括底座、水平氣動(dòng)定位裝置、Z軸定位裝置、顯微鏡瞄準(zhǔn)裝置，所述的水平氣動(dòng)定位裝置包括氣浮定位平臺(tái)底座、兼做X軸氣動(dòng)定位平臺(tái)的導(dǎo)軌、Y軸氣動(dòng)定位平臺(tái)、電機(jī)軸座、電機(jī)、電機(jī)推桿、氣浮滑塊和頂板，所述的氣浮定位平臺(tái)底座固定在所述的底座上，所述的電機(jī)軸座和所述的導(dǎo)軌均安裝在所述的氣浮定位平臺(tái)底座上；所述的氣浮滑塊與所導(dǎo)軌內(nèi)側(cè)貼合，并且每根導(dǎo)軌對(duì)應(yīng)一個(gè)氣浮滑塊；所述的電機(jī)的輸出軸通過電機(jī)推桿與電機(jī)軸連接；所述的頂板鋪設(shè)在導(dǎo)軌上方，并且所述的頂板與電機(jī)軸固定；所述的頂板上安裝Y軸氣動(dòng)定位平臺(tái)； 所述的Z軸定位裝置包括Z軸加載塊、過渡板、滑臺(tái)、加載塊壓箱、步進(jìn)電機(jī)、絲桿，所述的滑臺(tái)下端安裝在所述的底座上，所述的過渡板安裝在所述的滑臺(tái)上端的絲桿上，并且所述的絲桿與所述的步進(jìn)電機(jī)的輸出軸相連；所述的顯微瞄準(zhǔn)裝置和所述的加載塊壓箱安裝在所述的過渡板上，并且所述的顯微瞄準(zhǔn)裝置的瞄準(zhǔn)鏡指向所述的水平氣動(dòng)定位裝置；所述的Z軸加載塊安裝在所述的加載塊壓箱的加載塊支撐體上；所述的顯微鏡瞄準(zhǔn)裝置安裝在所述的加載塊壓箱的底部；所述的顯微鏡瞄準(zhǔn)裝置包括顯微鏡本體、線圈磁鐵驅(qū)動(dòng)器、壓針和用于探測(cè)壓針位移的位移傳感器，所述的壓針與所述的線圈磁鐵驅(qū)動(dòng)器電連接。
2.如權(quán)利要求1所述的固體薄膜納米壓痕連續(xù)測(cè)量儀，其特征在于:所述的氣浮滑塊設(shè)有供氣孔道和節(jié)流孔，并且所述的供氣孔道的一端與外界的氣泵連通；與供氣孔道另一端連通的所述的節(jié)流孔的出氣口面向?qū)к壓蜌飧《ㄎ黄脚_(tái)底座的方向。
3.如權(quán)利要求2所述的固體薄膜納米壓痕連續(xù)測(cè)量儀，其特征在于:所述的導(dǎo)軌為倒L形，所述的氣浮滑塊為與導(dǎo)軌匹配的正L形。
4.如權(quán)利要求3所述的固體薄膜納米壓痕連續(xù)測(cè)量儀，其特征在于:所述的顯微鏡本體底部裝有用于豎直定位的支撐彈簧，所述的支撐彈簧套在所述的壓針下端，并且所述的壓針的壓頭伸出所述的支撐彈簧。
5.如權(quán)利要求4所述的固體薄膜納米壓痕連續(xù)測(cè)量儀，其特征在于:所述的位移傳感器為電容式位移傳感器。
6.如權(quán)利要求5所述的固體薄膜納米壓痕連續(xù)測(cè)量儀，其特征在于:所述的氣浮滑塊與導(dǎo)軌、底座的相對(duì)面形成的氣膜厚度為10 μ m。
【文檔編號(hào)】G01N3/40GK203688375SQ201320893962
【公開日】2014年7月2日 申請(qǐng)日期:2013年12月31日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月31日
【發(fā)明者】董健, 方沛華, 孫笠 申請(qǐng)人:浙江工業(yè)大學(xué)