我和老婆那点事

微纳米硬度测试仪测控系统的研制 工学硕士学位微纳米硬度测试仪测控系统的研制 姚 奇 哈尔滨工业大学 2007 年 7 月国内图书分类号:TP166国际图书分类号:621.01 工学硕士学位论文 微纳 米硬度测试仪测控系统的研制 硕 士 研 究 生: 姚 奇 导 师: 姚英学教授 申请 学位级别: 工学硕士 学 科 、 专 业: 机械制造及其自动化 所 在 单 位: 机 电工程学院 答 辩 日 期: 2007 年 7 月 授予学位单位: 哈尔滨工业大学 Classified Index: TP166U.D.C.: 621.01 Dissertation for the Master Degree in Engineering THE DEVELOPMENT OF MICRO AND NANO HARDNESS MEASUREMENT SYSTEMCandidate: Yao QiSupervisor: Prof. Yao YingxueAcademic Degree Applied for: Master of Engineering Mechanical Manufacturing andSpeciality: Automation School of Mechanical andAffiliation: Electrical EngineeringDate of Defence: July 2007Degree-Conferring Institution: Harbin Institute of Technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘 要 薄膜制造 技术是微电子器件和微光电器件的基础，各类薄膜广泛应用于各类微电子机械系统 MEMS——micro-electro-mechanical system。对薄膜制造工艺、微观组织与力学性能 MEMS 器之间关系的深入了解，是预测、改善和充分发挥薄膜各种性能、优化 件、提高 MEMS 器件寿命和可靠性、突破制约产品全生命周期的设计等方面 的共性关键支撑技术。在微纳米尺度下，由于薄膜具有尺寸效应和表面效应等，其 力学性能与宏观材料有着本质的不同，传统的检测和评定方法已经不再适用。 本文 针对薄膜制造技术发展和应用需要，研制了用于检测微纳米级表面力学性能的硬度 检测系统，并应用此系统进行了微纳米级表层压痕硬度实验研究。 研制了一种新型 的用于微纳米硬度检测仪的减隔振平台，为开发微纳米表层硬度检测仪器提供技术 支持，保证其在工作时的测量精度和可靠性，完成了三维运动工作台结构设计，并 将它与减隔振平台有效结合在一起。 实现了对微纳米硬度检测系统的三维工作台运 动控制，以及加载装置的微动控制与信号检测，为准确地进行硬度检测打下了坚实 的基础。 基于纳米压痕的理论方法，对以玻璃为基底的铝薄膜进行了纳米压痕硬度 实验研究。根据实验数据拟合了铝薄膜的载荷,位移曲线，绘出了铝薄膜在不同载 荷下的硬度变化曲线，了在不同压痕深度下的硬度变化规律。评定了系统的工 作性能，分析了影响系统性能的原因，并给出了解决措施。关键词 微纳米;隔振; 三维工作台;硬度检测 -I- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 Abstract Film manufacturing technology is based on microelectronic devices and micro-optoelectronic devices various films are applied to a wide range of MEMSmicro-electro-mechanical system. With the in-depth understanding of therelationship in film manufacturing technology microstructure and mechanicalproperties which is the common key supporting technologies for optimizing thedesign of MEMS devices lasting the life of MEMS devices and improvingreliability improving the design which constraint products life cycle. Inmicro-nano-scale as films size effects and surface effects its macro-mechanicalproperties of materials is essentially different from the traditional method ofdetection and assessment is no longer applicable. This thesis is oriented on the requirement and development on filmmanufacturing technology developed a hardness testing system for the detection inmicro-nano-mechanical properties. Development of a new type of nano-micro hardness tester reducing vibrationisolation platform for the development of micro-nano surface hardness testingequipment to provide technical support to ensure that its work in the measurementprecision and accuracy. Complete a three-dimensional movement workstation’sstructural design layout and its vibration and effective platform together. Implement of micro-nano-hardness testing system of three dimension motioncontrol workstations and the loading device fretting control and signal detectionlaying a stable substructure for accurate hardness testing. On the basis of fundamental nanoindentation theory nanoindentation of filmaluminum has been researched. According to experimental results load-displacementcurves have been fitted. The hardness curve of film aluminum along different indentdepth has been achieved then the hardness rules under different loads are analyzed aswell. Operating performance of the system has been assessed. Also influence factorsand its resolve measures have been presented in the paper.Keywords micro-nanometer vibration isolation three-dimension table hardness measurement - II - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 目录摘 要.............................................................................................................................IAbstract ....................................................................................................................... II第 1 章 绪论................................................................................................................ 1 1.1 课题背 景及研究的意义................................................................................... 1 1.2 微纳米硬度 检测系统的国内外研究现状....................................................... 2 1.3 纳米压痕硬度检 测的计算方法....................................................................... 5 1.4 课题来源及主要研究 内容............................................................................... 7第 2 章 系统结构设 计................................................................................................ 8 2.1 三维工作台设 计............................................................................................... 8 2.1.1 XY 二维载物台的 选用 .............................................................................. 8 2.1.2 Z 向工作台的选 用 ................................................................................... 10 2.1.3 底面支承 板.............................................................................................. 10 2.1.4 Z 向工作台支承 件 ................................................................................... 11 2.2 减隔振装置的设 计......................................................................................... 11 2.2.1 减隔振装置的结构 设计.......................................................................... 12 2.2.2 空气弹簧减隔振装置动力 学模型的建立.............................................. 13 2.2.3 减隔振装置空气弹簧的气路设 计.......................................................... 16 2.3 减隔振装置的性能测试与分 析..................................................................... 17 2.3.1 空气弹簧隔振平台固有频率的 测试...................................................... 17 2.3.2 空气弹簧隔振平台隔振效果的测 试...................................................... 18 2.3.3 实验结果分 析.......................................................................................... 21 2.4 本章小 结......................................................................................................... 21第 3 章 三维工 作台运动控制系统的研究.............................................................. 22 3.1 Z 向工作台控 制 .............................................................................................. 22 3.1.1 硬件配 置.................................................................................................. 22 3.1.2 工作原理及实 现方法.............................................................................. 23 3.2 XY 向工作台的控 制 ....................................................................................... 26 3.2.1 硬件配 置.................................................................................................. 26 3.2.2 系统连线及工 作原理.............................................................................. 28 - III - 哈尔滨工业大学工学 硕士学位论文 3.2.3 PMAC 与计算机通 讯 .............................................................................. 30 3.2.4 系统 PID 控 制 ......................................................................................... 32 3.3 人机界面的开发............................................................................................. 37 3.4 三维工作台重复性定位实验......................................................................... 38 3.5 本章小 结......................................................................................................... 39第 4 章 测头的微动控制与信号检测...................................................................... 40 4.1 测头结构及工作原理..................................................................................... 40 4.2 测头微动控制及信号检测工作原理............................................................. 41 4.2.1 数据采集卡的选用.................................................................................. 42 4.2.2 硬件连接及控制检测的实现方法.......................................................... 43 4.3 测头参数标 定................................................................................................. 44 4.3.1 变形筋刚度的标定.................................................................................. 44 4.3.2 电容传感器的标定.................................................................................. 45 4.3.3 电流比例系数的标定.............................................................................. 45 4.3.4 载荷计算公式的确定.............................................................................. 46 4.4 本章小 结......................................................................................................... 47第 5 章 微纳米硬度测试仪检测系统的实验研究.................................................. 48 5.1 微纳米硬度测控系统的集成......................................................................... 48 5.2 微纳米硬度检测系统应用实验..................................................................... 48 5.3 本章小 结......................................................................................................... 53结 论.......................................................................................................................... 54参考文献.................................................................................................................... 55哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明............................................................ 58哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书............................................................ 58哈尔滨工业大学硕士学位涉密论文管理................................................................ 58致 谢.......................................................................................................................... 59 -IV- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第1章 绪论1.1 课题背景及研究的意义 薄膜制造技术是微电子器件和微电光器件的基础。近来薄膜制造技术更促进了微电子机械系统MEMS——micro-electro-mechanical system的兴起和发展。MEMS 器件要求薄膜不仅有很好的电磁光性质，还要求器件中的薄膜结构能够承受机械载荷、传递力和运动。微电子机械的研制和发展反过来又加速了薄膜力学性能的研究。人们日益认识到对薄膜制造工艺、显微组织与力学性能之间关系的?钊肜斫馐窃げ狻?纳坪统浞址?颖?げ牧系陌 ρ 阅茉谀诘母骼嘈阅埽 呕?MEMS 器件设计，扩大选材范围和提高 MEMS 器件寿命与可靠性的关键1。在微纳米尺度下，由于薄膜具有尺寸效应和表面效应等，其力学性能与宏观材料有着本质的不同，传统的检测和评定方法已经不再适用。 随着超精密加工技术、微纳米制造技术的发展和微小零件、微机电系统的应用，微纳米级表层质量的检测技术和方法已成为纳米表面工程技术、微小零部件和微机电系统制造中的关键问题，将影响纳米技术、微细加工技术、纳米表面工程技术、微机电系统等技术的进一步发展2。 微纳米级表层的性能与传统的加工、检测技术和评价方法相比，所面临的决不是几何上的“相似缩小”问题，而是一系列新的现象和规律3。微纳米级加工在加工方式和机理方面所出现的这些重大变革，将引起材料表层的机械、冶金、物理、化学、力学和其它方面的性能发生 变化。尽管这些变化有时只发生在表面和表层，但可能对工件的使用性能有致命的影响，同时，对这些表面进行进一步处理，也需要对其表面性能有基本的了解4。这些都需要有新的专门针对微纳米级表层质量的检测方法和评价系统。 在材料各个方面的性能中，硬度是评价材料力学性能的一种简单、高效的手段，已有近百年的历史。由于硬度测量具有直观和方便的特点，因此通过测量硬度来研究材料的其它特性已经成为一种重要的研究手段。随着现代材料表面工程(气相沉积、溅射、离子注入、高能束表面改性、热喷涂等)、微电子、集成微光机电系统、生物和医学材料的发展，试样本身或表面改性层厚度越来越小5。传统的硬度测量已无法满足新材料研究的需要，微纳米硬度检测技术应运而生。近年来，随着微纳米硬度检测技术的逐渐成熟，国内外已生产出各 -1- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文种各样的纳米硬度计，并且广泛的用于材料表面工程、微电子、微机电系统、生物和医学材料等相关的科学领域。1.2 微纳米硬度检测系统的国内外研究现状 硬度定义为“表征材料表面抵抗外物压入所引起局部塑性变形的能力”6，也可从作用形式上定义为“某一物体抵抗另一物体产生变形能力的度量”，如果从变形机理上，可定义为“抵抗弹性变形、塑性变形和破坏的能力”或“材料抵抗残余变形和破坏的能力”7。无论如何定义，在测量固体材料硬度时，总是将一定形状和尺寸的较硬物体及压头以一定的压力接触被测材料表面。硬度是材料对外界物体机械作用的局部抵抗能力的一种表现，反映了固体物质凝聚或结合强弱的程度。 为了比较各种固体材料的软硬，人们给出了多种硬度标准及其测量方法，主要有:静态压痕硬度、动态压痕硬度或回弹压痕硬度、划痕硬度8。 静态压痕硬度测量是通过球体、金刚石锥体或其他锥体将力施加在被测材料上，使材料产生压痕(即发生塑性变形);再根据总施加载荷与所产生压痕面积或深度之间的关系，给出硬度值9。根据施加载荷的大小可分为:宏观硬度(日本、美国和前苏联等定位 10N 以上，欧共体国家和国际机构定为 2N 以上)、显微硬度(上限:10N 或 2N;下限;10mN 左右)，纳米硬度(一般在700mN 以下，有的生产商为了便于研究者检测显微硬度，配有 10N 载荷附件)10 。不同的静态压痕硬度标准及其测量方法见表 1-1。 动态或回弹压痕硬度测量是将一个具有标准重量和尺寸的物体从某一高度(具有一定势能)下落到被测物体表面，并从其表面弹起，根据其回弹高度来确定被测物体的硬度值，该方法主要用于金属材料11。 划痕法是在小曲率半径的硬度压头上施加一定的法向力，并使压头沿试样表面刻划，通过试样表面的划痕来评价其硬度。它是测量块体材料或表面涂层材料抵抗划痕的能力的方法12。 各种硬度的定义不同，测定的方法和适用的材料各异。各种硬度值不能直接换算，但可通过实验进行比较。某些金属材料的硬度与其强度指标(如屈服极限、强度极限等)有一定的关系，通过较简单和经济的硬度测量即可推断材料的强度指标1314。 宏观硬度和显微硬度测量适用于较大尺寸的试样，仅能得到材料的塑性性质。随着现代材料表面工程(气相沉积、溅射、离子注入、高能束表面改性、 -2- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 表 1-1 常用静态压痕硬度测量方法比较 Table1-1 Compare of static indentation hardness measures 压痕对角线 压痕深度 硬度实验 压头形状 载荷/N 应用范围 或直径/m /m 布氏 钢铁用 2.5mm 或 Brinell 10005000 lt1000 30000， 软金属 块状金属 10mm 直径球体 HB 低于 1000 洛氏 120?金刚石锥体， 主载荷 600， 块状硬材 Rockwell 或 1.59mm 直径的 1001500 25350 1000，1500; 料 HR .