[发明专利]双探针微纳米力学检测系统

说明书

技术领域

本发明属于微纳米级检测设备技术领域，具体涉及一种双探针微纳米力学检测系统。

背景技术

微纳技术尺度范围是1nm-100μm。在这个尺度范围内研究材料和结构的力学性能时需要在一些特定的观察、表征和检测系统下才能够进行，例如扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、原子力显微镜(AFM)等。但是SEM、TEM等设备在设计之初主要是用于观察微纳米结构和材料的形貌以及材料结构性能等，没有涉及太多的力学性能测量需要。因而，到现在为止，还很少有专门为力学研究而设计的基于扫描探针显微环境平台的微纳米测量设备，尤其是没有配备对材料进行力学性能检测所需要的夹持、加载、微力与微形变检测，以及相互作用研究的相关单元等。目前即使在国际范围，在AFM、SEM等显微观察平台上实现微纳米力学测试的商用设备也未见报道，因此迫切需要研制和开发用于微纳米力学性能测量的设备。在国内仪有的少部分基于扫描平台的测量仪器也绝大部分都是进口设备，没有专门的力学测量单元，且存在价格昂贵、无知识产权等问题。

就检测技术而言，微纳米实验技术可以分为两大类，如基于微纳米光学测量的方法，包括微纳米云纹、散斑、全息和格栅技术等；基于材料力学式的微纳米力学测量方法，如微纳米压痕法、拉伸法、弯曲法、鼓膜法、共振测频法以及基于扫描探针为平台的实验方法等。尽管上述方法可以应用在不同领域或不同的检测对象，但总体来讲，微纳米材料力学性能检测和力学行为的研究仍处于初始研究阶段，实验面临很多问题。如：对现有的微纳米力学理论与计算模型的实验验证还存在困难；现有的SEM、TEM和AFM等设备可以实现纳米尺度的观察，但不能满足力学测量的需要；微纳米尺度力学性能测量需要对于微小试件进行夹持、加载以及微力与变形的高精度检测等。

发明内容

本发明针对目前微纳米领域缺乏相应的微纳米力学检测系统的情况，提供了一种双探针微纳米力学检测系统，包括微形变检测部分、试件位置调整部分、微悬臂梁加载检测部分、压电陶瓷控制及数据采集系统，其特征在于，由支架左部分11和支架右部分10构成的支架2安装于底板1上，且支架左部分11和支架右部分10可分别绕其安装轴转动；在支架左部分11和支架右部分10之间靠近底板1边缘位置安装精密一维平台5，并由平台旋钮6调节；精密一维平台5的一端连接滑块16，并在滑块16下方设置滑轨17；在滑轨17的两侧，分别设置安装于支架左部分11上的左侧压电陶瓷13以及安装于支架右部分10上的右侧压电陶瓷12；“L”形的第一探针固定架8一端安装在支架右部分10上，另一端连接第一探针14，第一探针固定架8沿着y方向调节位置，“L”形的第二探针固定架9安装在支架左部分11上，另一端连接第二探针15，第二探针固定架9沿着x和z方向调节位置；在支架右部分10的侧边安装第一反射镜18和第二反射镜19，在支架右部分10安装精密一维平台5的一侧安装激光器3和PSD探测器4，在支架左部分11上安装压电陶瓷接口7。

所述第二探针固定架9上设置x方向粗调旋钮26和z方向粗调旋钮25，用来调节第二探针15的位置。

所述第一反射镜18由第一旋钮20和第二旋钮21调节角度，第二反射镜19由第三旋钮22和第四旋钮23调节角度。

利用所述双探针微纳米力学检测系统进行测量的方法包括如下步骤：

1)选择与待测试样力学常数相当的探针作为加载和测试工具，安装在第一探针14位置上；

2)调整激光器3的功率及光线角度、通过第一旋钮20和第二旋钮21调整第一反射镜18的角度、通过第三旋钮22和第四旋钮23调整第二反射镜19的角度，使激光器3发出的光线经过第一反射镜18，入射到第一探针14的尖端，反射光线经第二反射镜19入射到PSD探测器4的的光敏感区的中心位置；观察程序显示的模拟光斑在探测器上的位置，通过进一步微调第三旋钮22和第四旋钮23使得光斑也定位在模拟探测器靶元的中心位置。

3)用一个已经标定的探针对待使用的第一探针14进行原位加载，通过显微图像实时采集系统记录，并且同时记录PSD探测器4上光斑位置，得到PSD探测器4上光斑位置与力的对应关系；

4)在高清晰显微镜下，用微操纵的机械手配合钨丝针尖调整试样的位置，并采用环氧树脂将试样粘接在第二探针15上，并将安装第二探针15的第二探针固定架9安装到支架左部分11上；在光学显微镜的监视下，调整第一探针14的位置，使其与试样末端对准；