專利名稱：掃描電鏡下多用途原位微尺度力學(xué)性能測(cè)試儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微尺度力學(xué)性能測(cè)試儀，尤其涉及一種掃描電鏡下多用途原位微尺度力學(xué)性能測(cè)試儀。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代材料科學(xué)、微電子技術(shù)、生物和醫(yī)學(xué)材料的發(fā)展，試樣特征尺度越來越小。因此對(duì)微尺度試樣的力學(xué)性能測(cè)試提出了迫切需求。在傳統(tǒng)宏觀尺度力學(xué)測(cè)試領(lǐng)域，單軸拉伸、壓縮以及彎曲是應(yīng)用極為廣泛的幾種測(cè)試方式，由于其力學(xué)模型簡(jiǎn)單、測(cè)試參量具有明確物理意義等優(yōu)點(diǎn)而廣受歡迎。與之類似，在微尺度力學(xué)測(cè)試領(lǐng)域，人們?nèi)匀幌Ｍ捎脝屋S拉伸、壓縮以及彎曲等方式進(jìn)行測(cè)試，這樣可以很好地移植宏觀力學(xué)測(cè)試的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。因此相應(yīng)地發(fā)展了一些典型儀器，例如INSTRON 5848Micro Tester、電磁式微力學(xué)測(cè)試儀(發(fā)明專利2004100801449)、Agilent公司的似110^￥、束纖維強(qiáng)力儀(￥6011斯特洛儀)等。 以上儀器有的可以完成單軸拉伸、壓縮、彎曲等多種測(cè)試功能，有的只可以完成拉伸測(cè)試功能，但在載荷分辨率或功能等方面具有各自的特點(diǎn)，基本可以滿足目前微尺度力學(xué)多種多樣的測(cè)試需求。但是由于這些儀器本身外形尺寸仍然較大，無法在空間狹窄的掃描電鏡中使用，因此無法實(shí)現(xiàn)力學(xué)性能測(cè)試和顯微形貌的原位監(jiān)測(cè)。隨著材料微納米化以及多尺度力學(xué)研究的深入開展，對(duì)微尺度原位力學(xué)測(cè)試提出了越來越迫切的需求。例如人們希望在對(duì)表面納米化的金屬薄膜進(jìn)行拉伸的同時(shí)，監(jiān)測(cè)裂紋擴(kuò)展情況，以此來研究納米化對(duì)金屬力學(xué)性能強(qiáng)化機(jī)理。但顯然，這需要觀察手段具有極高的空間分辨率，因此非常希望在掃描電鏡中進(jìn)行原位力學(xué)性能測(cè)試。目前可在掃描電鏡中使用的商業(yè)化的力學(xué)性能測(cè)試儀典型代表有美國(guó)GATANMicrotest系列產(chǎn)品,載荷能力從2N至5000N不等。這種儀器體型小巧，專為配合掃描電鏡使用而設(shè)計(jì)。但該儀器采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在進(jìn)行加載試驗(yàn)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的振動(dòng)會(huì)對(duì)掃描電鏡的成像產(chǎn)生不利影響。因此該儀器只能在掃描電鏡較小放大倍數(shù)下使用。若掃描電鏡放大倍數(shù)較大時(shí)，便很難獲得清晰圖像。此外，步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)頻響慢，很難進(jìn)行快動(dòng)作的循環(huán)加卸載測(cè)試，無法用掃描電鏡在線監(jiān)測(cè)裂紋擴(kuò)展情況。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提出一種掃描電鏡下多用途原位微尺度力學(xué)性能測(cè)試儀及系統(tǒng)，避免了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式所產(chǎn)生的振動(dòng)，可以在試樣加載狀態(tài)下獲得清晰的高放大倍率的圖像。為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種掃描電鏡下多用途原位微尺度力學(xué)性能測(cè)試儀，包括機(jī)架底座、音圈電機(jī)、加載軸、光柵尺、動(dòng)夾具、定夾具、滑塊和力傳感器；所述音圈電機(jī)安裝在所述機(jī)架底座的一端，其內(nèi)部安裝有用來測(cè)量所述加載軸位移的光柵尺；所述加載軸由音圈電機(jī)內(nèi)部的電磁線圈驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，其一端位于所述音圈電機(jī)內(nèi)部，另一端安裝有所述動(dòng)夾具；所述機(jī)架底座的另一端加工有滑槽，所述滑槽上固定有所述滑塊；所述滑塊離音圈電機(jī)的近端安裝有力傳感器，所述定夾具安裝在所述力傳感器上，所述定夾具和動(dòng)夾具之間用于安裝試樣。優(yōu)選地，上述力學(xué)性能測(cè)試儀具有以下特點(diǎn)所述滑槽內(nèi)設(shè)置有螺母，用于調(diào)節(jié)所述滑塊的位置。優(yōu)選地，上述力學(xué)性能測(cè)試儀具有以下特點(diǎn)所述機(jī)架底座的邊緣安裝有端蓋。優(yōu)選地，上述力學(xué)性能測(cè)試儀具有以下特點(diǎn)所述力傳感器的量程為4牛頓，所述光柵尺的位移分辨率為Iy m(還可以采用更高分辨率的光柵尺)。
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優(yōu)選地，上述力學(xué)性能測(cè)試儀具有以下特點(diǎn)所述力學(xué)性能測(cè)試儀的尺寸約為150mm*50mm*40mm。為了解決上述問題，本發(fā)明還提供一種掃描電鏡下多用途原位微尺度力學(xué)性能測(cè)試系統(tǒng)，包括依次連接的力學(xué)性能測(cè)試儀、控制器和終端設(shè)備；所述力學(xué)性能測(cè)試儀包括機(jī)架底座、音圈電機(jī)、加載軸、光柵尺、動(dòng)夾具、定夾具、滑塊和力傳感器；所述音圈電機(jī)安裝在所述機(jī)架底座的一端，其內(nèi)部安裝有用來測(cè)量所述加載軸位移的光柵尺；所述加載軸由音圈電機(jī)內(nèi)部的電磁線圈驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，其一端位于所述音圈電機(jī)內(nèi)部，另一端安裝有所述動(dòng)夾具；所述機(jī)架底座的另一端加工有滑槽，所述滑槽上固定有所述滑塊；所述滑塊離音圈電機(jī)的近端安裝有力傳感器，所述定夾具安裝在所述力傳感器上，所述定夾具和動(dòng)夾具之間用于安裝試樣；所述控制器用于將終端設(shè)備輸入的指令信號(hào)轉(zhuǎn)化為所述音圈電機(jī)可接收的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以及，采集所述光柵尺的信號(hào)和力傳感器的信號(hào)，進(jìn)行調(diào)理后傳輸給所述終端設(shè)備；所述終端設(shè)備用于按照測(cè)試需求設(shè)定測(cè)試步驟，將相應(yīng)的指令信號(hào)發(fā)送給所述控制器，以及，對(duì)從所述控制器接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和后期處理，以獲得試樣變形和力的關(guān)系，進(jìn)而求解出所需的力學(xué)參量。優(yōu)選地，上述力學(xué)性能測(cè)試系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)所述力學(xué)性能測(cè)試儀的滑槽內(nèi)設(shè)置有螺母，用于調(diào)節(jié)所述滑塊的位置。優(yōu)選地，上述力學(xué)性能測(cè)試系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)所述控制器包括驅(qū)動(dòng)模塊、信號(hào)采集模塊與信號(hào)調(diào)理通信模塊，其中，所述驅(qū)動(dòng)模塊用于將終端設(shè)備輸入的指令信號(hào)轉(zhuǎn)化為所述音圈電機(jī)可接收的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；所述信號(hào)采集模塊用于采集所述光柵尺的信號(hào)和力傳感器的信號(hào)；所述信號(hào)調(diào)理通信模塊用于將所述信號(hào)采集模塊采集到的光柵尺的信號(hào)和力傳感器的信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，傳輸給所述終端設(shè)備。本發(fā)明具有以下有益效果I、采用音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其基本原理是電磁線圈在磁場(chǎng)中受力，通過控制線圈中的電流來控制線圈運(yùn)動(dòng)。該種驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)了平順的運(yùn)動(dòng)，具有很好的線性、低滯后性、無振動(dòng)，易于進(jìn)行精確控制等特點(diǎn)。避免了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式所產(chǎn)生的振動(dòng)，可以在試樣加載狀態(tài)下獲得清晰的高放大倍率的圖像。2、由于音圈電機(jī)具有很好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)頻率，能夠?qū)崿F(xiàn)快速的啟停動(dòng)作，因此可以在掃描電鏡中實(shí)現(xiàn)較快頻率的循環(huán)加卸載，對(duì)試樣的疲勞性能進(jìn)行測(cè)試。并通過掃描電鏡分階段監(jiān)測(cè)疲勞裂紋擴(kuò)展情況。3、在該儀器對(duì)試樣進(jìn)行加載測(cè)試的同時(shí)，可以通過掃描電鏡對(duì)試樣進(jìn)行原位觀察成像。不僅可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試樣表面變形情況(例如裂紋擴(kuò)展情況、局部有無頸縮等)，還可以對(duì)試樣變形進(jìn)行高分辨率的測(cè)量。4、該測(cè)試儀集拉伸、壓縮、彎曲以及疲勞等多種測(cè)試功能于一體，適用范圍廣。5、該儀器不僅可以配合掃描電鏡使用，還可以配合光學(xué)顯微鏡使用，也可以獨(dú)立使用。


圖I為本發(fā)明實(shí)施例的力學(xué)性能測(cè)試儀的示意
圖2為本發(fā)明實(shí)施例的力學(xué)性能測(cè)試的示意圖。
具體實(shí)施例方式下文中將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明。需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請(qǐng)中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互任意組合。本發(fā)明針對(duì)上述問題，提出了采用音圈電機(jī)(電磁)驅(qū)動(dòng)的、用于掃描電鏡的、可進(jìn)行拉伸、壓縮、彎曲以及疲勞測(cè)試的、微尺度原位力學(xué)性能測(cè)試儀。在本發(fā)明中，測(cè)試儀主機(jī)驅(qū)動(dòng)部分采用音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其基本原理是電磁線圈在磁場(chǎng)中受力，通過控制線圈中的電流來控制線圈運(yùn)動(dòng)。該驅(qū)動(dòng)方式具有平順、無振動(dòng)、動(dòng)態(tài)頻率響應(yīng)快、易于精確控制等優(yōu)點(diǎn)。力的測(cè)量采用應(yīng)變式小量程力傳感器。由于應(yīng)變式力傳感器性能穩(wěn)定，不易受環(huán)境干擾，并且市場(chǎng)化程度高，可以很方便地更換不同量程的力傳感器來滿足不同試樣的測(cè)試需求。加載軸的位移采用光柵尺測(cè)量，其優(yōu)點(diǎn)是頻響快，在掃描電鏡中使用不受環(huán)境干擾。該位移作為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的控制信號(hào)，同時(shí)可以作為試樣變形量的參考。試樣變形量采用掃描電鏡監(jiān)測(cè)，通過掃描電鏡的尺寸測(cè)量功能實(shí)現(xiàn)對(duì)試樣微小變形的測(cè)量。由于掃描電鏡具有極好的空間分辨率，因此試樣的變形測(cè)量很容易獲得納米量級(jí)的分辨率。針對(duì)典型試樣，該測(cè)試儀配備了典型夾具，分別適用于拉伸、壓縮、彎曲等測(cè)試情況。如圖I所示，為本發(fā)明實(shí)施例的力學(xué)性能測(cè)試儀的示意圖，該力學(xué)性能測(cè)試儀的整體結(jié)構(gòu)采用臥式設(shè)計(jì)，這有利于配合掃描電鏡觀察，包括機(jī)架底座10、音圈電機(jī)8、加載軸7、光柵尺(圖中未示出)、動(dòng)夾具6、定夾具9、滑塊3和力傳感器4 ;音圈電機(jī)8安裝在機(jī)架底座10的一端，其內(nèi)部安裝有用來測(cè)量加載軸7位移的光柵尺；加載軸7由音圈電機(jī)8內(nèi)部的電磁線圈驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，其一端位于音圈電機(jī)8內(nèi)部,另一端安裝有動(dòng)夾具6 ;機(jī)架底座
10的另一端加工有滑槽2，滑槽2上固定有所述滑塊3 ;滑塊3離音圈電機(jī)8的近端安裝有力傳感器4，定夾具9安裝在力傳感器4上，定夾具9和動(dòng)夾具6之間用于安裝試樣5?；?內(nèi)有兩個(gè)螺母，擰松時(shí)可以調(diào)節(jié)滑塊3位置，用來適應(yīng)不同尺寸試樣5。根據(jù)試樣尺寸把滑塊3位置調(diào)節(jié)好以后，擰緊螺母固定滑塊3。機(jī)架底座10的邊緣安裝有端蓋I。該測(cè)試儀外形尺寸小巧，實(shí)施例約150mm*50mm*40mm。本發(fā)明實(shí)施例中，力傳感器選用FUTEK公司生產(chǎn)的LSB200系列力傳感器，量程為4N。位移傳感器選用光柵尺位移傳感器，分辨率為I Pm。如圖2所示，除上述力學(xué)性能測(cè)試儀外，整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)還包括控制器和終端設(shè)備(計(jì)算機(jī))。力學(xué)性能測(cè)試儀用于對(duì)試樣進(jìn)行加載測(cè)試，控制器用于將終端設(shè)備輸入的指令信號(hào)轉(zhuǎn)化為所述音圈電機(jī)可接收的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以及，采集所述光柵尺的信號(hào)和力傳感器的信號(hào)，進(jìn)行調(diào)理后傳輸給所述終端設(shè)備；所述終端設(shè)備是人機(jī)對(duì)話的窗口，用于按照測(cè)試需求設(shè)定測(cè)試步驟，將相應(yīng)的指令信號(hào)發(fā)送給所述控制器，以及，對(duì)從所述控制器接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和后期處理，以獲得試樣變形和力的關(guān)系，進(jìn)而求解出所需的力學(xué)參量。其中，控制器包括驅(qū)動(dòng)模塊、信號(hào)采集模塊與信號(hào)調(diào)理通信模塊，所述驅(qū)動(dòng)模塊用于將終端設(shè)備輸入的指令信號(hào)轉(zhuǎn)化為所述音圈電機(jī)可接收的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；所述信號(hào)采集模塊用于采集所述光柵尺的信號(hào)和力傳感器的信號(hào)；所述信號(hào)調(diào)理通信模塊用于將所述信號(hào)采·集模塊采集到的光柵尺的信號(hào)和力傳感器的信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，傳輸給所述終端設(shè)備。測(cè)試時(shí)，將安裝好試樣的力學(xué)性能測(cè)試儀放置于掃描電鏡中，通過終端設(shè)備(計(jì)算機(jī))控制測(cè)試過程自動(dòng)進(jìn)行，并通過掃描電鏡實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)記錄試樣顯微形貌，也可以通過記錄的圖像精確測(cè)量試樣局部變形。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種掃描電鏡下多用途原位微尺度力學(xué)性能測(cè)試儀，其特征在于，包括機(jī)架底座、音圈電機(jī)、加載軸、光柵尺、動(dòng)夾具、定夾具、滑塊和力傳感器； 所述音圈電機(jī)安裝在所述機(jī)架底座的一端，其內(nèi)部安裝有用來測(cè)量所述加載軸位移的光柵尺；所述加載軸由音圈電機(jī)內(nèi)部的電磁線圈驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，其一端位于所述音圈電機(jī)內(nèi)部，另一端安裝有所述動(dòng)夾具；所述機(jī)架底座的另一端加工有滑槽，所述滑槽上固定有所述滑塊；所述滑塊離音圈電機(jī)的近端安裝有力傳感器，所述定夾具安裝在所述力傳感器上，所述定夾具和動(dòng)夾具之間用于安裝試樣。
2.如權(quán)利要求I所述的力學(xué)性能測(cè)試儀，其特征在于， 所述滑槽內(nèi)設(shè)置有螺母，用于調(diào)節(jié)所述滑塊的位置。
3.如權(quán)利要求I所述的力學(xué)性能測(cè)試儀，其特征在于， 所述機(jī)架底座的邊緣安裝有端蓋。
4.如權(quán)利要求I所述的力學(xué)性能測(cè)試儀，其特征在于， 所述力傳感器的量程為4牛頓，所述光柵尺的位移分辨率為I U m。
5.如權(quán)利要求I所述的力學(xué)性能測(cè)試儀，其特征在于， 所述力學(xué)性能測(cè)試儀的尺寸約為15 Omm* 5 0mm*40mm。
6.一種掃描電鏡下多用途原位微尺度力學(xué)性能測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，包括依次連接的力學(xué)性能測(cè)試儀、控制器和終端設(shè)備； 所述力學(xué)性能測(cè)試儀包括機(jī)架底座、音圈電機(jī)、加載軸、光柵尺、動(dòng)夾具、定夾具、滑塊和力傳感器；所述音圈電機(jī)安裝在所述機(jī)架底座的一端，其內(nèi)部安裝有用來測(cè)量所述加載軸位移的光柵尺；所述加載軸由音圈電機(jī)內(nèi)部的電磁線圈驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，其一端位于所述音圈電機(jī)內(nèi)部，另一端安裝有所述動(dòng)夾具；所述機(jī)架底座的另一端加工有滑槽，所述滑槽上固定有所述滑塊；所述滑塊離音圈電機(jī)的近端安裝有力傳感器，所述定夾具安裝在所述力傳感器上，所述定夾具和動(dòng)夾具之間用于安裝試樣； 所述控制器用于將終端設(shè)備輸入的指令信號(hào)轉(zhuǎn)化為所述音圈電機(jī)可接收的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以及，采集所述光柵尺的信號(hào)和力傳感器的信號(hào)，進(jìn)行調(diào)理后傳輸給所述終端設(shè)備； 所述終端設(shè)備用于按照測(cè)試需求設(shè)定測(cè)試步驟，將相應(yīng)的指令信號(hào)發(fā)送給所述控制器，以及，對(duì)從所述控制器接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和后期處理，以獲得試樣變形和力的關(guān)系，進(jìn)而求解出所需的力學(xué)參量。
7.如權(quán)利要求6所述的力學(xué)性能測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，所述力學(xué)性能測(cè)試儀的滑槽內(nèi)設(shè)置有螺母，用于調(diào)節(jié)所述滑塊的位置。
8.如權(quán)利要求6所述的力學(xué)性能測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于， 所述控制器包括驅(qū)動(dòng)模塊、信號(hào)采集模塊與信號(hào)調(diào)理通信模塊，其中， 所述驅(qū)動(dòng)模塊用于將終端設(shè)備輸入的指令信號(hào)轉(zhuǎn)化為所述音圈電機(jī)可接收的驅(qū)動(dòng)信號(hào); 所述信號(hào)采集模塊用于采集所述光柵尺的信號(hào)和力傳感器的信號(hào)； 所述信號(hào)調(diào)理通信模塊用于將所述信號(hào)采集模塊采集到的光柵尺的信號(hào)和力傳感器的信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，傳輸給所述終端設(shè)備。
全文摘要
本發(fā)明公開一種掃描電鏡下多用途原位微尺度力學(xué)性能測(cè)試儀，該力學(xué)性能測(cè)試儀包括機(jī)架底座、音圈電機(jī)、加載軸、光柵尺、動(dòng)夾具、定夾具、滑塊和力傳感器；音圈電機(jī)安裝在所述機(jī)架底座的一端，其內(nèi)部安裝有用來測(cè)量所述加載軸位移的光柵尺；加載軸由音圈電機(jī)內(nèi)部的電磁線圈驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，其一端位于音圈電機(jī)內(nèi)部，另一端安裝有動(dòng)夾具；機(jī)架底座的另一端加工有滑槽，滑槽上固定有滑塊；滑塊離音圈電機(jī)的近端安裝有力傳感器，定夾具安裝在力傳感器上。本發(fā)明采用了音圈電機(jī)，避免了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式所產(chǎn)生的振動(dòng)，可以在試樣加載狀態(tài)下獲得清晰的高放大倍率的掃描電鏡圖像，可進(jìn)行原位拉伸、壓縮、彎曲及疲勞力學(xué)性能測(cè)試。
文檔編號(hào)G01N3/00GK102788727SQ20121031972
公開日2012年11月21日 申請(qǐng)日期2012年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月31日
發(fā)明者代玉靜, 張?zhí)┤A, 彭光健, 邵亞琪, 郇勇 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所