【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及压痕测试，具体涉及微米压痕测试和纳米压痕测试。
技术介绍
1、文献us9970851描述了一种压痕头系统，其中，压头和原子力显微镜(afm)尖端同时与样本的表面接触。afm尖端用作竖直方向上的位置参考，并且借助于电容式传感器测量压头尖端相对于afm尖端的位移。压头尖端与弹性元件以机械方式串联地布置，并且弹性元件的缩短是借助于另外的电容式传感器测量的，以确定尖端施加在样本上的力。
2、该结构体积庞大且复杂、需要使两个尖端与样本接触。此外，由于系统的几何形状，所以压头尖端的质量是较大的，使得该结构不太适合于力快速变化的高动态力测量。
3、因此，本专利技术的目的是提出一种压痕头系统，其中至少部分地克服了上述缺点。
技术实现思路
1、更精确地说，本专利技术涉及一种用于压痕仪(indentation instrument)的压痕头系统(indentation head system)。该压痕头系统包括：压头尖端(indenter tip)，所述压头尖端具有被适配成至少沿着压痕轴线与样本的表面接触的任何已知形状；以及参考元件，所述参考元件被布置成支承所述压头尖端并用作所述压头尖端的相对位置的位置参考。
2、根据本专利技术，所述压痕头系统还包括：
3、-零位传感器(zero-level sensor)，所述零位传感器被布置成输出如下信号：该信号指示在沿着所述压痕轴线考虑的情况下所述压头尖端是否相对于所述参考元件从参考该参考元件的中立相
4、-弹性元件，诸如以线性方式作用的弹簧(例如，螺旋弹簧)、叶片弯曲部(bladeflexure)等，所述弹性元件连接在所述压头尖端与具有已知伸长度的致动器(其通常但不排他地为压电致动器)之间(通过响应于控制信号在其延伸上具有良好水平的再现性或借助于被布置成测量致动器的延伸的位移传感器)，所述致动器直接地或间接地连接至所述参考元件；
5、-控制器，所述控制器被适配成从所述零位传感器接收信号，以按照如下方式执行所述致动器的伺服控制：使得所述零位传感器输出与所述压头尖端从所述中立相对位置的大致零位移相对应的信号，所述控制器还被适配成基于所述致动器的所述已知伸长度和所述弹性元件的弹性系数(例如，基于胡克定律)来计算由所述压头尖端施加至所述样本的力。
6、结果，由于所述致动器可以被伺服控制以在所述样本向所述压头尖端施加力时维持所述压头尖端相对于所述参考元件的大致恒定的相对位置这一事实，所以压头尖端具有准无限刚度，这提高了压痕测量准确度和精度。还可以彼此独立地测量压痕深度和压痕力测量，从而进一步提高准确度和精度，并且在某些配置中，可以使尖端的惯性最小化，从而允许相对高动态力测量。此外，力的范围和/或力噪声的绝对值可以简单地通过改变所述弹性元件的刚度来确定，只要该力在所述致动器的能力之内即可。
7、有利地，所述压痕头系统还包括位移传感器，所述位移传感器被布置成测量所述致动器的所述伸长度并将对应测量结果发送至所述控制器以用于执行所述伺服控制。通常，该传感器是电容式位移传感器或lvdt(线性可变差动变压器)传感器，但高分辨率光学位移传感器(诸如干涉仪)也是可能的。
8、有利地，所述弹性元件和所述压痕尖端彼此集成在一起并且是能够更换的。这使得能够容易地将所述压头尖端更换为不同形状的尖端、借助于提供不同弹性元件刚度来测量不同力范围等，每个集成的压头尖端/弹性元件对作为一个单元被更换。
9、有利地，所述零位传感器被布置成还能够测量所述压头尖端的倾斜，这还允许在划痕或摩擦学测试期间测量横向力。
10、在一个变型例中，所述弹性元件是被布置成以线性方式作用的弹簧。
11、在另一变型例中，所述弹性元件包括被布置成在弯曲时作用的至少一个叶片弯曲部或膜片。
12、在一个变型例中，所述零位传感器被布置成直接测量所述压头尖端相对于所述参考元件的位移，例如，通过光学装置，这使得所述压头尖端/弹性元件组件的惯性最小化。
13、有利地，所述零位传感器被布置成对引导所述尖端的弯曲部的弯曲进行测量，所述弯曲部是膜片或至少一个叶片弯曲部。
14、有利地，所述零位传感器是光学传感器，诸如杠杆光传感器(light leversensor)，其以光学方式测量机械地连接至尖端的杠杆的倾斜，和/或所述致动器是压电致动器，和/或所述位移传感器是电容式传感器。
15、本专利技术的压痕头系统可以与样本保持器(sample holder)一起集成到压痕系统中，所述样本保持器被布置成保持样本面向所述压头尖端。这种样本保持器通常被配置为能够沿着至少三个平移轴线移动，并且通常还提供位置输出。
16、有利地，所述压痕传感器还包括穿透深度传感器，所述穿透深度传感器被布置成：
17、-对所述参考元件与和所述样本接触的参考尖端之间的相对位移进行测量；或
18、-对所述压头尖端与和所述样本接触的参考尖端之间的相对位移进行测量。
19、有利地，所述压痕系统还包括头架致动器(headstock actuator)，所述头架致动器被布置成使所述参考元件沿着所述压痕轴线相对于固定框架元件移位。在这种情况下，可以提供被配置成测量所述头架致动器的伸长度的穿透深度传感器。
20、本专利技术还涉及一种操作如上所述的压痕系统的方法。该方法包括以下步骤：
21、-在所述样本保持器上将样本定位成面向所述压头尖端；随后
22、-使所述压头尖端与所述样本的表面接触；随后
23、-至少沿着所述压痕轴线产生所述样本与所述压头尖端之间的相对移动，同时通过控制所述致动器(即，使所述致动器以受控方式延伸)来维持所述零位传感器的与所述压头尖端从所述中立相对位置的大致零位移相对应的输出；
24、-基于所述位移传感器的输出和所述弹性元件的所述弹性系数来测量施加在所述样本与所述压头尖端之间的力。
25、有利地，还在垂直于所述压痕轴线的方向上产生所述样本与所述压头尖端之间的相对移动，测量由所述压头尖端在所述样本上施加的垂直于所述压痕轴线的力。因此可以进行划痕和摩擦学测试的横向力测量。
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1.一种用于压痕仪(100)的压痕头系统(1)，所述压痕头系统包括：
2.根据权利要求1所述的压痕头系统(1)，所述压痕头系统还包括位移传感器(23)，所述位移传感器(23)被布置成测量所述致动器(21)的所述已知伸长度并将对应测量结果发送至所述控制器以用于所述伺服控制。
3.根据权利要求1或2所述的压痕头系统(1)，其中，所述弹性元件(19)和所述压头尖端(3)彼此集成在一起并且是能够更换的。
4.根据前述权利要求中任一项所述的压痕头系统(1)，其中，所述零位传感器(17)被布置成还能够测量所述压头尖端(3)的倾斜。
5.根据前述权利要求中任一项所述的压痕头系统(1)，其中，所述弹性元件(19)是被布置成以线性方式作用的弹簧。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的压痕头系统(1)，其中，所述弹性元件(19)包括被布置成在弯曲时作用的至少一个叶片弯曲部或膜片。
7.根据前述权利要求中任一项所述的压痕头系统(1)，其中，所述零位传感器(17)被布置成直接测量所述压头尖端(3)的位移。
8.根据前述权
9.根据前述权利要求中任一项所述的压痕头系统(1)，其中，
10.一种压痕系统(100)，所述压痕系统包括：
11.根据权利要求10所述的压痕系统(100)，所述压痕系统还包括穿透深度传感器(27)，所述穿透深度传感器被布置成：
12.根据权利要求10或11所述的压痕系统(100)，所述压痕系统还包括头架致动器(13)，所述头架致动器被布置成使所述参考元件(9)沿着所述压痕轴线(A)相对于固定框架元件(15)移位。
13.根据权利要求12所述的压痕系统(100)，所述压痕系统还包括穿透深度传感器(27)，所述穿透深度传感器被配置成测量所述头架致动器(13)的伸长度。
14.一种操作根据权利要求10至13中任一项所述的压痕系统(100)的方法，所述方法包括以下步骤：
15.根据权利要求14所述的方法，其中，还在垂直于所述压痕轴线(A)的方向上产生所述样本(5)与所述压头尖端(3)之间的相对移动，并且其中，测量由所述压头尖端(3)和所述样本(5)施加的垂直于所述压痕轴线(A)的力。
...【技术特征摘要】
1.一种用于压痕仪(100)的压痕头系统(1)，所述压痕头系统包括：
2.根据权利要求1所述的压痕头系统(1)，所述压痕头系统还包括位移传感器(23)，所述位移传感器(23)被布置成测量所述致动器(21)的所述已知伸长度并将对应测量结果发送至所述控制器以用于所述伺服控制。
3.根据权利要求1或2所述的压痕头系统(1)，其中，所述弹性元件(19)和所述压头尖端(3)彼此集成在一起并且是能够更换的。
4.根据前述权利要求中任一项所述的压痕头系统(1)，其中，所述零位传感器(17)被布置成还能够测量所述压头尖端(3)的倾斜。
5.根据前述权利要求中任一项所述的压痕头系统(1)，其中，所述弹性元件(19)是被布置成以线性方式作用的弹簧。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的压痕头系统(1)，其中，所述弹性元件(19)包括被布置成在弯曲时作用的至少一个叶片弯曲部或膜片。
7.根据前述权利要求中任一项所述的压痕头系统(1)，其中，所述零位传感器(17)被布置成直接测量所述压头尖端(3)的位移。
8.根据前述权利要求中任一项所述的压痕头系统(1)，其中，所述零位传感器(17)被布置成对...
【专利技术属性】
技术研发人员：N·品诺拉斯，B·贝拉顿，
申请(专利权)人：安东帕TriTec股份公司，
类型：发明
国别省市：
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