СКАНИРУЮЩИЙ НАНОТВЕРДОМЕР

Полезная модель относится к области сканирующей зондовой микроскопии и технике контроля физико-механических свойств материалов и предназначена для исследования поверхности рельефа, измерения механических свойств объемных материалов и тонких пленок на субмикронном и нанометровом масштабе.
При существовании множества устройств, реализующих метод измерения механических характеристик материалов, основанный на механическом контакте зондового датчика с поверхностью исследуемого материала, возникла потребность в создании системы, которая бы позволила производить измерение твердости методом индентирования/склерометрии с высоким пространственным разрешением.
Известно «Устройство для измерения механических характеристик» (RU 2108561, 18.11.1996 г., G01 N3/40), содержащий пьезорезонатор, в виде камертона, соединенный с блоком возбуждения и с блоком детектирования, при этом на одном из стержней пьезорезонатора закреплен индентор.
Известен «Сканирующий зондовый микроскоп, совмещенный с устройством срезания тонких слоев объекта» (RU 2287129 от 10.03.2006 г., G01B 1/00), содержащий корпус с расположенным в нем трехкоординатным пьезосканером с держателем зонда и зондом, нож, держатель объекта, установленный на механизме перемещения держателя объекта относительно ножа по криволинейной траектории со смещением на толщину среза, а также устройство позиционного перемещения зонда относительно объекта, дополнительно содержащий механизм сопряжения устройства позиционного перемещения зонда с держателем объекта, причем механизм сопряжения выполнен в виде опорной плиты, расположенной в плоскости смещения по двум координатам устройства позиционного перемещения зонда.
Недостатком данных конструкций являются невозможность проведения измерения твердости методом индентирования/склерометрии (нанесение и анализ отпечатков/царапин при различной нагрузке).
Задачей полезной модели является создание системы, позволяющей проводить измерение твердости исследуемого объекта методом склерометрии и методом индентирования по остаточному отпечатку, а также методом инструментального измерительного индентирования по кривым нагружение-внедрение.
Техническим результатом является повышение пространственного разрешения при измерении твердости исследуемого объекта.
Поставленная задача и указанный технический результат достигается тем, что сканирующий нанотвердомер, содержащий пьезорезонатор, в виде камертона, соединенный с блоком возбуждения и с блоком детектирования, при этом на одном из стержней пьезорезонатора закреплен индентор, согласно полезной модели, дополнительно снабжен трехкоординатным позиционером, содержащим платформу, расположенную на пьезоэлектрических приводах и емкостные датчики перемещения, которые с пьезоэлектрическими приводами сопряжены с блоком управления перемещением, подключенным, в свою очередь, к блоку обратной связи и ЭВМ, одновременно с этим ЭВМ и блок обратной связи соединены с блоком детектирования, и между собой, а пьезорезонатор установлен на механизме перемещения относительно исследуемого объекта и снабжен датчиком изгиба, подключенным к ЭВМ. При этом индентор выполнен виде алмазного наконечника.
Введение в систему пьезорезонатора, в виде камертона с алмазным наконечником, датчика изгиба пьезорезонатора, механизма перемещения, трехкоординатного позиционера, сопряженного с блоком управления, блока обратной связи, ЭВМ - позволяет изучать рельеф поверхности и измерять с высоким пространственным разрешением твердость материалов методом индентирования/склерометрии.
Полезная модель поясняется следующими иллюстрациями, где Фиг.1 блок схема взаимодействия основных элементов, Фиг.2 - пример изображений исходного рельефа поверхности. Фиг.3 - пример изображения поверхности с остаточными отпечатками, Фиг.4 - представлены кривые зависимостей прикладываемой нагрузки от глубины внедрения индентора в поверхность для материалов с разными свойствами.
Сканирующий нанотвердомер содержит пьезорезонатор 1 с закрепленным индентором, установленный на механизме перемещения 2 относительно исследуемого объекта и сопряженный с блоком возбуждения 3, и блоком детектирования 4, который соединен с блоком обратной связи 5. Трехкоординатный позиционер 6, подключенный к блоку управления перемещениями 7, который в свою очередь подключен к блоку обратной связи 5, а также к ЭВМ 8, одновременно с этим к ЭВМ 8 подведены выходные линии от датчика изгиба 9 и блока детектирования 4.
Система работает следующим образом: Измеряемый образец закрепляют на платформе трехкоординатного позиционера 6. При помощи блока возбуждения 3 инициируются изгибные колебания пьезорезонатора 1. Параметры колебаний (амплитуда и частота) пьезорезонатора 1 измеряются блоком детектирования 4, далее пьезорезонатор 1 подводят к поверхности измеряемого образца с помощью механизма перемещения 2 до касания индентором исследуемого объекта. Касание определяют по изменению параметров колебаний пьезорезонатора 1, измеренных блоком детектирования 4. Сканирование поверхности образца производят, при помощи подачи сигнала построчной линейной развертки с ЭВМ 8 на блок управления перемещениями 7, который обеспечивает движение платформы трехкоординатного позиционера 6 в плоскости поверхности образца XY, подавая на пьезоэлектрические приводы напряжение, корректируемое в соответствии с сигналами емкостных датчиков. Одновременно сигнал, пропорциональный амплитуде или частоте колебаний пьезорезонатора 1, с блока детектирования 4 поступает в блок обратной связи 5, который воздействует на блок управления перемещениями 7, обеспечивая перемещение образца по оси Z таким образом, чтобы амплитуда или частота колебаний пьезорезонатора 1 оставались постоянными. Сигналы блока детектирования 4, блока обратной связи 5 и блока управления перемещениями 7 поступают в ЭВМ 8 и используются для формирования трехмерных изображений рельефа поверхности, а также карт распределения механических свойств. Затем перемещают образец с помощью трехкоординатного позиционера 6 так, чтобы индентор находился в заданной точке поверхности. Далее следует перемещение образца трехкоординатным позиционером 6 по оси Z, производя индентирование поверхности, одновременно с этим записывают сигналы емкостного датчика по оси Z и датчика изгиба 9. Обрабатывая сигнал емкостного датчика трехкоординатного позиционера по оси Z и сигнал датчика изгиба 9, измеряют зависимость прикладываемой нагрузки от глубины внедрения индентора в поверхность и по этой зависимости определяют механические свойства исследуемого образца. При этом прикладываемая нагрузка определяется как произведение значения изгиба и изгибной жесткости пьезорезонатора.
При измерении механических свойств методом индентирования/склерометрии, исследуемый образец перемещают трехкоординатным позиционером 6 по оси Z, производя индентирование поверхности, а затем (при необходимости) в плоскости XY, производя царапание поверхности. Затем сканируют рельеф поверхности, как было описано выше, и измеряют механические свойства образца по полученным изображениям остаточных отпечатков (царапин).
В данный момент проходит испытание экспериментальная установка. Достигнуты следующие характеристики: точность позиционирования индентора над поверхностью: не хуже 10 нм в плоскости XY и 1 нм по оси Z; минимальный размер остаточного отпечатка/царапины: менее 100 нм в плоскости XY и 10 нм по оси Z.