固体薄膜纳米压痕连续测量仪

摘要

固体薄膜纳米压痕连续测量仪，包括底座、水平气动定位装置、Z轴定位装置、显微镜瞄准装置，所述的水平气动定位装置包括气浮定位平台底座、兼做X轴气动定位平台的导轨、Y轴气动定位平台、电机轴座、电机、电机推杆、气浮滑块和顶板；所述的Z轴定位装置包括Z轴加载块、过渡板、滑台、加载块压箱、步进电机、丝杆；所述的显微镜瞄准装置包括显微镜本体、线圈磁铁驱动器、压针和用于探测压针位移的位移传感器，所述的压针与所述的线圈磁铁驱动器电连接。本发明的有益效果是：尤其适用于测量薄膜、镀层、微机电系统中的材料等微小体积材料力学性能；可以在纳米尺度上测量材料的各种力学性质。

说明书

技术领域

本发明涉及一种固体薄膜纳米压痕连续测量仪。

背景技术

纳米压痕（又称深度敏感压痕）测量技术是近几年发展起来的一种新技术，目前已被广泛的应用在许多科学领域。它可以在不用分离薄膜与基底材料的情况下直接得到薄膜材料的许多力学性质。例如：弹性模量，硬度，内应力等等。传统的压痕测量是将一特定形状和尺寸的压头在一垂直压力下将其压入试样，当压力撤除后。通过测量压痕的断截面面积，人们可以得到被测材料的硬度。这种测量方法的缺点是仅仅能够得到材料的塑性性质，而且这种测量方法只能适用于较大尺寸的试样。

发明内容

为了解决目前的纳米压痕仅能够得到材料的塑性性质、并且只能适用于较大尺寸的试样的问题，本发明提出了一种能测定多种性能参数、适用范围广的固体薄膜纳米压痕连续测量仪。

本发明所述的固体薄膜纳米压痕连续测量仪，其特征在于：包括底座、水平气动定位装置、Z轴定位装置、显微镜瞄准装置，所述的水平气动定位装置包括气浮定位平台底座、兼做X轴气动定位平台的导轨、Y轴气动定位平台、电机轴座、电机、电机推杆、气浮滑块和顶板，所述的气浮定位平台底座固定在所述的底座上，所述的电机轴座和所述的导轨均安装在所述的气浮定位平台底座上；所述的气浮滑块与所导轨内侧贴合，并且每根导轨对应一个气浮滑块；所述的电机的输出轴通过电机推杆与电机轴连接；所述的顶板铺设在导轨上方，并且所述的顶板与电机轴固定；所述的顶板上安装Y轴气动定位平台；

所述的Z轴定位装置包括Z轴加载块、过渡板、滑台、加载块压箱、步进电机、丝杆，所述的滑台下端安装在所述的底座上，所述的过渡板安装在所述的滑台上端的丝杆上，并且所述的丝杆与所述的步进电机的输出轴相连；所述的显微瞄准装置和所述的加载块压箱安装在所述的过渡板上，并且所述的显微瞄准装置的瞄准镜指向所述的水平气动定位装置；所述的Z轴加载块安装在所述的加载块压箱的加载块支撑体上；所述的显微镜瞄准装置安装在所述的加载块压箱的底部；所述的显微镜瞄准装置包括显微镜本体、线圈磁铁驱动器、压针和用于探测压针位移的位移传感器，所述的压针与所述的线圈磁铁驱动器电连接。

所述的气浮滑块设有供气孔道和节流孔，并且所述的供气孔道的一端与外界的气泵连通；与供气孔道另一端连通的所述的节流孔的出气口面向导轨和气浮定位平台底座的方向。

所述的导轨为倒L形，所述的气浮滑块为与导轨匹配的正L形。

所述的显微镜本体底部装有用于竖直定位的支撑弹簧，所述的支撑弹簧套在所述的压针下端，并且所述的压针的压头伸出所述的支撑弹簧。

所述的位移传感器为电容式位移传感器。

所述的气浮滑块与导轨、底座的相对面形成的气膜厚度为10μm。

工作原理：首先通过气泵向气浮滑块内不停的充气，使得气浮滑块的供气孔道中通入一定气压的气体，气体经过节流孔在气浮滑块与导轨、底座的相对面中形成10μm左右的气膜，气膜支撑气浮滑块与顶板组成的滑台，在直线电机的作用下由电机轴和电机轴推杆的带动下作一维的X或Y轴直线运动；Z轴滑台固定在底座上，过渡板与滑台之间有丝杆进行运动的传递，固定在过渡板上的显微镜瞄准装置和加载块压箱，随着过渡板的移动而进行移动，从而带动加载块以及加载快支撑体运动，即步进电机通过丝杆使过渡板沿着滑台进行竖直移动带动过渡板上的显微镜瞄准装置和加载块、加载块支撑体加载块压箱运动，待显微镜瞄准装置中出现明显待测物体的像时，驱动线圈磁铁驱动器，使得压针向下运动，并且在支承弹簧的作用下，确保了圧针的竖直运动，减小了误差，再由电容式位移传感器获取压头位移的变化，获得所要求的微位移变化的数据。

本发明的有益效果是：可以获得小到纳米级的压深,尤其适用于测量薄膜、镀层、微机电系统中的材料等微小体积材料力学性能；可以在纳米尺度上测量材料的各种力学性质，如载荷-位移曲线、弹性模量、硬度、断裂韧性、应变硬化效应、粘弹性或蠕变行为等。

附图说明

图1为本发明的微力微位移测量仪三维装配图。

图2为本发明的气浮定位平台三维装配图。

图3为本发明的加载块三维图。

图4为本发明的加载装置三维装配图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明

参照附图：

本发明所述的固体薄膜纳米压痕连续测量仪，包括底座1、水平气动定位装置2、Z轴定位装置3、显微镜瞄准装置4，所述的水平气动定位装置2包括气浮定位平台底座21、兼做X轴气动定位平台的导轨22、Y轴气动定位平台23、电机轴座24、电机、电机推杆25、气浮滑块26和顶板27，所述的气浮定位平台底座21固定在所述的底座1上，所述的电机轴座24和所述的导轨22均安装在所述的气浮定位平台底座21上；所述的气浮滑块26与所导轨22内侧贴合，并且每根导轨22对应一个气浮滑块26；所述的电机的输出轴通过电机推杆25与电机轴271连接；所述的顶板27铺设在导轨22上方，并且所述的顶板27与电机轴271固定；所述的顶板27上安装Y轴气动定位平台23；

所述的Z轴定位装置3包括Z轴加载块31、过渡板32、滑台33、加载块压箱34、步进电机35、丝杆36，所述的滑台33下端安装在所述的底座1上，所述的过渡板32安装在所述的滑台33上端的丝杆36上，并且所述的丝杆36与所述的步进电机35的输出轴相连；所述的显微瞄准装置4和所述的加载块压箱34安装在所述的过渡板32上，并且所述的显微瞄准装置4的瞄准镜指向所述的水平气动定位装置2；所述的Z轴加载块31安装在所述的加载块压箱34的加载块支撑体341上；所述的显微镜瞄准装置4安装在所述的加载块压箱34的底部；所述的显微镜瞄准装置4包括显微镜本体41、线圈磁铁驱动器42、压针43和用于探测压针位移的位移传感器44，所述的压针43与所述的线圈磁铁驱动器44电连接。

所述的气浮滑块26设有供气孔道和节流孔，并且所述的供气孔道的一端与外界的气泵连通；与供气孔道另一端连通的所述的节流孔的出气口面向导轨和气浮定位平台底座的方向。

所述的导轨22为倒L形，所述的气浮滑块26为与导轨匹配的正L形。

所述的显微镜本体41底部装有用于竖直定位的支撑弹簧45，所述的支撑弹簧45套在所述的压针43下端，并且所述的压针43的压头伸出所述的支撑弹簧45。

所述的位移传感器44为电容式位移传感器。

所述的气浮滑块26与导轨22、底座1的相对面形成的气膜厚度为10μm。

工作原理：首先通过气泵向气浮滑块内不停的充气，使得气浮滑块的供气孔道中通入一定气压的气体，气体经过节流孔在气浮滑块与导轨、底座的相对面中形成10μm左右的气膜，气膜支撑气浮滑块与顶板组成的滑台，在直线电机的作用下由电机轴和电机轴推杆的带动下作一维的X或Y轴直线运动；Z轴滑台固定在底座上，过渡板与滑台之间有丝杆进行运动的传递，固定在过渡板上的显微镜瞄准装置和加载块压箱，随着过渡板的移动而进行移动，从而带动加载块以及加载快支撑体运动，即步进电机通过丝杆使过渡板沿着滑台进行竖直移动带动过渡板上的显微镜瞄准装置和加载块、加载块支撑体加载块压箱运动，待显微镜瞄准装置中出现明显待测物体的像时，驱动线圈磁铁驱动器，使得压针向下运动，并且在支承弹簧的作用下，确保了圧针的竖直运动，减小了误差，再由电容式位移传感器获取压头位移的变化，获得所要求的微位移变化的数据。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。