原位微纳米力学测试及刻划加工一体机制造技术

本发明专利技术涉及一种原位微纳米力学测试及刻划加工一体机，属于机电一体化精密科学仪器。其左侧步进电机通过联轴器驱动丝杠螺母，由丝杠螺母带动相关连接件，实现柔性铰链和金刚石压头的粗进给，由压电叠堆驱动柔性铰链实施精密进给。右侧载物台和精密力传感器安装在柔性铰链上，通过螺钉与动子连接，动子两侧薄片状结构与两个柔性铰链输出端间隙配合，动子与导轨滑块连接，两个对称的柔性铰链和导轨安装在尾座上，尾座安装在基座上。优点在于：体积小、结构紧凑，可安装在扫描电子显微镜中实现微纳米压痕、刻划测试。可先进行材料的原位微纳米压痕测试，根据测试结果优化刻划加工工艺，之后依据优化的工艺参数实现刻划加工，最终实现测试加工一体化。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及机电一体化精密科学仪器领域，特别涉及一种集原位微纳米力学测试及刻划加工为一体的原位微纳米力学测试及刻划加工一体机，在材料科学、超精密加工、半导体技术、固体力学等领域具有较好的应用前景。
技术介绍
原位微纳米力学测试技术是近几年发展起来的前沿技术，受到各国政府和研究机构的高度关注。原位纳米压痕测试技术由于具有高的载荷和位移测试分辨率，在微尺度力学测试中显现出独特的优势，据此开展的相关研究成果也得到《Nature》、《Science》、((PNAS))等顶级期刊的多次报道。相比于非原位纳米压痕测试技术，原位纳米压痕测试技术 目前只被少数的研究人员所掌握和使用，主要原因是该项技术需要在满足高的测试精度的同时，保证测试仪器的小型化以及与原位监测设备的兼容性。目前原位纳米压痕测试主要集中在透射电子显微镜(TEM)和扫描电子显微镜(SEM)中开展，两者都具有非常有限的工作腔体，并且需要保证测试装置与工作腔体的电磁兼容性和真空兼容性，正是这些原因限制了原位纳米压痕测试技术的快速发展。总体来看，研究高精度、大测试范围、低成本的原位纳米压痕测试装置依然是具有挑战性的工作，同时也是一项紧迫性的工作。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种原位微纳米力学测试及刻划加工一体机，解决了现有技术存在的上述问题。本专利技术体积小、结构紧凑，可集成于扫描电子显微镜的样品台上，实现材料压痕、划痕测试过程的可视化动态监测。更为重要的是利用本专利技术可实现测试加工一体化，即先利用原位压痕测试获取材料力学性能参数并优化刻划加工工艺参数，后进行原位刻划加工，该研究思想对于研究并利用材料的力学性能参数解决精密、超精密加工中遇到的技术瓶颈具有重要意义。本专利技术首先着眼于实现在扫描电子显微镜内的微纳米压痕测试，得到被测材料的硬度、弹性模量等参数并动态研究材料在压痕载荷作用下的变形损伤过程，获取其变形损伤机理，之后根据得到的力学性能参数，结合开发的原位刻划模块，优化刻划加工工艺参数，实现对材料的原位刻划加工，进而实现原位压痕测试与刻划加工一体化。本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现 原位微纳米力学测试及刻划加工一体机，金刚石压头7通过螺钉紧固在柔性铰链a5前端，柔性铰链a 5通过螺钉固定安装在过渡块16上，精密位移传感器4固定安装在柔性铰链a 5上，压电叠堆a 6安装在柔性铰链a 5内部凹槽中，通过压电叠堆a 6驱动柔性铰链a 5，进而带动金刚石压头7实现精密进给，过渡块16通过螺钉固定安装在连接件a 17上，连接件a 17与精密导轨滑块b 18通过螺钉连接，丝杠螺母3与连接件a 17通过螺钉连接，步进电机I和精密导轨滑块18分别固定安装在基座19上，通过步进电机I带动丝杠螺母3，驱动连接件17等实现粗进给；载物台8安装在精密力传感器15上，精密力传感器15通过螺纹副固定在柔性铰链c 14上，柔性铰链c 14通过螺钉与动子10连接，动子10两侧薄片状结构与两个柔性铰链b 13输出端通过间隙配合实现连接，动子10与精密导轨滑块a 9通过螺钉连接，两个对称的柔性铰链b 13和精密导轨滑块a 9分别安装在尾座11上，尾座11通过螺钉固定安装在基座19上。所述的柔性铰链c 14为平行四边形放大结构，其凹槽内部安装有压电叠堆c 20，可以精密调整载物台8和精密力传感器15在竖直方向上的位置。所述的原位微纳米力学测试及刻划加工一体机的总体尺寸为167 mmX130mmX53 mmD本专利技术的压电叠堆b 12、柔性铰链b 13、动子10以及对称部分的压电叠堆和柔性铰链组成的结构是基于寄生运动原理，该结构可实现动子10毫米级大行程和微纳米级高精度定位。 本专利技术的有益效果在于本专利技术的总体尺寸为167 mmX 130 mmX 53 mm,体积小、结构紧凑，可集成安装在主流扫描电子显微镜中实现材料压痕、划痕测试的可视化动态监测，为研究材料的变形损伤机理提供可用方案。更为重要的是可实现测试加工一体化，即先利用原位压痕测试获取材料力学性能参数并优化刻划加工工艺参数，后进行原位刻划加工。本专利技术包含了测试加工一体化的思想，对于借助研究材料的力学性能、变形损伤机理来优化指导材料的加工工艺具有重要意义，对于解决现有超精密加工中遇到的技术瓶颈提出一种可行的工具，对于提高试件加工质量、加工效率的研究有重要促进作用，并将在材料科学、超精密加工、半导体技术、固体力学等领域具有较好的应用前景。附图说明此处所说明的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本申请的一部分，本专利技术的示意性实例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。图I为本专利技术的立体结构示意 图2为本专利技术的俯视结构示意 图3为本专利技术的主视结构示意 图4为本专利技术的右侧基于寄生运动原理的结构示意图中1、步进电机；2、联轴器；3、丝杠螺母；4、精密位移传感器；5、柔性铰链a ;6、压电叠堆a ;7、金刚石压头；8、载物台；9、精密导轨滑块a;10、动子；11、尾座；12、压电叠堆b ;13、柔性铰链b ;14、柔性铰链c ;15、精密力传感器；16、过渡块；17、连接件a ;18、精密导轨滑块b ;19、底座；20、压电叠堆c ;21、连接件b。具体实施例方式下面结合附图进一步说明本专利技术的详细内容及其具体实施方式。参见图I至图4，本专利技术的原位微纳米力学测试及刻划加工一体机，包括步进电机I、联轴器2、丝杠螺母3、精密位移传感器4、柔性铰链a5、压电叠堆a6、金刚石压头7、载物台8、精密导轨滑块a9、动子10、尾座11、压电叠堆bl2、柔性铰链bl3、柔性铰链cl4、精密力传感器15、过渡块16、连接件al7、精密导轨滑块bl8、底座19、压电叠堆c20及连接件b21，其中，金刚石压头7通过螺钉紧固在柔性铰链a5前端，柔性铰链a 5通过螺钉固定安装在过渡块16上，精密位移传感器4固定安装在柔性铰链a 5上，压电叠堆a 6安装在柔性铰链a 5内部凹槽中，通过压电叠堆a 6驱动柔性铰链a 5，进而带动金刚石压头7实现精密进给，过渡块16通过螺钉固定安装在连接件a 17上，连接件a 17与精密导轨滑块b 18通过螺钉连接，丝杠螺母3与连接件a 17通过螺钉连接，步进电机I和精密导轨滑块18分别固定安装在基座19上，通过步进电机I带动丝杠螺母3，驱动连接件17等实现粗进给；载物台8安装在精密力传感器15上，精密力传感器15通过螺纹副固定在柔性铰链c 14上，柔性铰链c 14通过螺钉与动子10连接，动子10两侧薄片状结构与两个柔性铰链b 13输出端通过间隙配合实现连接，动子10与精密导轨滑块a 9通过螺钉连接，两个对称的柔性铰链b 13和精密导轨滑块a 9分别安装在尾座11上，尾座11通过螺钉固定安装在基座19上。所述的柔性铰链c 14为平行四边形放大结构，其凹槽内部安装有压电叠堆c 20，可以精密调整载物台8和精密力传感器15在竖直方向上的位置。 所述的原位微纳米力学测试及刻划加工一体机的总体尺寸为167 mmX130mmX53 mmD本专利技术的压电叠堆b 12、柔性铰链b 13、动子10以及对称部分的压电叠堆和柔性铰链组成的结构是基于寄生运动原理，该结构可实现动子10毫米级大行程和微纳米级高精度定位。参见图I至图4，本专利技术包本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种原位微纳米力学测试及刻划加工一体机，其特征在于：金刚石压头(7)紧固在柔性铰链a(5)前端，柔性铰链a(5)安装在过渡块(16)上，精密位移传感器(4)安装在柔性铰链a(5)上，压电叠堆a(6)安装在柔性铰链a(5)内部凹槽中，通过压电叠堆a(6)驱动柔性铰链a(5)，进而带动金刚石压头(7)实现精密进给，过渡块(16)固定安装在连接件a(17)上，连接件a(17)与精密导轨滑块b(18)连接，丝杠螺母(3)与连接件a(17)连接，步进电机(1)和精密导轨滑块(18)分别安装在基座(19)上，通过步进电机(1)带动丝杠螺母(3)，驱动连接件(17)实现粗进给；载物台(8)安装在精密力传感器(15)上，精密力传感器(15)固定在柔性铰链c(14)上，柔性铰链c(14)与动子(10)连接，动子(10)两侧薄片状结构与两个柔性铰链b(13)输出端通过间隙配合实现连接，动子(10)与精密导轨滑块a(9)连接，两个对称的柔性铰链b(13)和精密导轨滑块a(9)分别安装在尾座(11)上，尾座(11)固定安装在基座(19)上。

【技术特征摘要】
1.一种原位微纳米力学测试及刻划加工一体机，其特征在于金刚石压头(7)紧固在柔性铰链a(5)前端，柔性铰链a(5)安装在过渡块(16)上，精密位移传感器(4)安装在柔性铰链a (5)上，压电叠堆a (6)安装在柔性铰链a (5)内部凹槽中，通过压电叠堆a (6)驱动柔性铰链a (5)，进而带动金刚石压头(7)实现精密进给，过渡块(16)固定安装在连接件a (17)上，连接件a (17)与精密导轨滑块b (18)连接，丝杠螺母(3)与连接件a (17)连接，步进电机⑴和精密导轨滑块(18)分别安装在基座(19)上，通过步进电机⑴带动丝杠螺母(3)，驱动连接件(17)实现粗进给；载物台(8)安装在精密力传感器(15)上，精密力传感器(15)固定在柔性铰链c (14)...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄虎，赵宏伟，史成利，万顺光，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：