ultra_nano_hardness_..

Головка ультра-нано-индентирования
(Ultra Nano Indentation tester - UltraNHT)
Техническое описание
//// Общие технические характеристики
Ультра-нано-твердомер это система индентирования высокого разрешения
высокой точности и обладает чрезвычайно малым температурным дрейфом. Это
позволяет использовать ее для исследования полимерных материалов,
сверхтонких слоев и мягких тканей организмов. Диапазон нагрузок на индентор может быть увеличен, но
более оптимально использовать данную систему при малых нагрузках (< 10 мН), измерения при которых
могут принести максимально полезную информацию о свойствах объекта.
> Ультра высокое разрешение прибора на низкошумовой поверхности
Разрешение по глубине: 0.0005 нм, вибрации поверхности (пола) ≈ 0.1 нм*
Разрешение по нагрузке: 0.0025 мкН, вибрации поверхности (пола) ≈ 0.25мкН*
> Система активной привязки к поверхности образца (запатентована)
Активная привязка к поверхности позволяет исследовать образцы с разной геометрией
поверхности ( шары и др…).
Система имеет свой пьезо-привод, датчик нагрузки и хорошо управляет и контролирует
нагрузку при работе с поверхностью образца (в пределах мН)
> Температурный дрейф практически отсутствует
Головка сконструирована из стекла ZeroDur®
дрейф ≈1ppm/°C
и электроника имеет температурный
> Два
независимых сенсора глубины и нагрузки (емкостные датчики
сверхвысокого разрешения)
Режим контроля истиной глубины погружения индентора и нагрузки
Измерение в реальном времени глубины и нагрузки
//// Принципы измерений
• Исследуемый образец подается при помощи подвижного предметного столика под
исследовательский модуль наноиндентирования. На поверхность образца опускается щуп
системы активной привязки к поверхности. Система серво привода с обратной связью
активируется при достижении определенной нагрузки на щуп (менее мН).
• Индентор приближается к поверхности (при помощи пьезо-привода) и сенсор нагрузки
индентора фиксирует контакт индентора с поверхностью.
• Проводится цикл индентирования, во время которого пьезо-привод генерирует нагрузку на
индентор, и сенсоры глубины проникновения и нагрузки измеряют в реальном времени
глубину проникновения и вертикальную нагрузку.
Преимущества системы активной привязки к поверхности образца
• Основное преимущество данной системы то, что перемещение индентора
дифференциально измеряется относительно щупа, находящегося в контакте с
поверхностью при помощи системы активной привязки.
• Перемещение индентора при отсутствии системы привязки относительно образца, всегда
зависит от термического дрейфа рамы прибора, гибкости образца и температурных
флюктуаций, что вызывает ошибку в измерениях глубины проникновения.
• Система позволяет сократить дистанцию приближения индентора и время
индентирования по сравнению с приборами без системы активной привязки к поверхности.
//// Головка Ультра-нано-индентора
Схема работы головки
A1 Пьезо-привод нагрузки
K1 Пружина ячейки нагрузки индентора
FN система обратной связи
нагрузки на индентор
A1
A2
K1
K2
I
R
A2 Пьезо-привод щупа
K2 Пружина ячейки нагрузки щупа
FR система обратной связи
нагрузки на щуп
Щуп R
Индентор I
образец
столик
Рисунок 1. Схема конструкции головки ультра-нано-твердомера
FN : Вертикальная нагрузка (FN индентор и FR Опорный щуп)
С1: Индуктивный датчик ячейки нагрузки на индентор
С2: Индуктивный датчик ячейки нагрузки на опорный щуп
C3: Дифференциальный емкостный датчик глубины проникновения
Abstract of the patent : The invention concerns a measuring head using a measuring axis and a reference
axis having, each, their own actuating means (A1, A2) and their own displacement measuring means (C1 to C3)
and applied force measuring means (C1, K1, C2, K2). The indentation measurement can therefore be
performed relative to a reference whereof the application force on the sample (E) is accurately controlled. The
independent control of the axis of reference enables any disturbance of the sample and/or of the measuring
instrument itself, for example, resulting from a temperature variation, to be prevented.
//// Примеры применения
Ультра-нано-твердомер является модулем, разработанным, для получения и регистрации изменений
глубины проникновения с субнанометрической точностью. В то же самое время, высокое разрешение по
прилагаемой силе и глубине проникновения является основой стабильности получения других сигналов.
На самом деле, много инструментов могли бы показать высокую точность, но стабильность других
сигналов
является,
фактически,
ключевым
показателем
эффективного
и
надежного
наноиндентирования.
Благодаря высокой стабильности измерений глубины и прилагаемой нагрузки, ультра-нано-твердомер
обеспечивает новое понимание таких явлений в материалах как скачковые эффекты и текучесть.
> Скачковые эффекты
В течение процесса наноиндентирования (кривая нагрузки и/или разгрузки) могут происходить
наноразмерные изменения глубины. Если некоторые инструменты имеют величины шума в диапазоне 1
или 2 нм, то эти небольшие скачкообразные изменения глубин могут затеряться в общем шуме прибора.
Ультра-нано-твердомер способен точно отобразить эти небольшие изменения глубины (от 1 до 3 нм).
Рисунок 2. Скачковые эффекты (2 мН максимальная нагрузка)
> Феномен текучести и стабильность глубины
Термический дрейф общая проблема в контрольно-измерительной аппаратуре для измерений в нанодиапазоне. Феномен текучести демонстрирует тот же эффект для глубины проникновения, то есть
измеренная глубина может возрасти при постоянно приложенной нагрузке. Следовательно, важно
должно иметь хорошую стабильность измерений по глубине.
Постоянная глубина при постоянной нагрузке
(исходные данные показывающие реальную
глубину проникновения)
Рсиунок 3a. Образец: плавленый кварц:
2 мН макс. нагрузка. Пауза 60 секунд
при максимальной наггузке
Феномен текучести
(увеличение глубины при
постоянной нагрузке)
Рсиунок 3b. Образец: медь, 5 мН макс. нагрузка.
Пауза 60 секунд при макс. нагрузке
//// Спецификация головки Ультра-Нано-Индентирования
Приложение нагрузки/измерение:
пьезо-привод/индуктивный датчик
• Диапазон нагрузок
0 – 50 мН (опционально 100 мН)
- «малый» диапазон: 5 мН
- стандартный диапазон: 50 мНN
• Разрешение по нагрузке:
2.5 нН, «шум пола» ≈ 0.25 мкН*
• Минимальная используемая нагрузка :
25 мкН
• Максимальная нагрузка:
50 мН (100 мН с опцией высокой нагрузки)
• Минимальная сила контакта:
0.25 мкН* (= «шум пола» ≈ 0.25 мкН)
• Время удерживания силы контакта:
не ограничено
Измерение перемещений:
дифференциальный индуктивный датчик
• Разрешение по перемещению:
0.0005 нм, «шум пола» ≈ 0.1нм*
• Температурный дрейф:
≈ 0.5 нм/мин (= 0.008 нм/сек)
• Максимальная глубина индентирования: «малый» диапазон: 10 мкм
стандартный диапазон: 50 мкм
• Максимальный диапазон движения
индентора:
100 мкм
а
уз
к
гр
а
зк
ру
г
на
ра
з
Минимальная сила контакта
? 0.25 мкН (шум пола)
Приложение нагрузки
Используемый диапазон нагрузки UNHT:
от 0.025 мН до 50 мН
при максимуме нагрузки индентирования
Глубина проникновения
Рисунок 4. Типичная кривая инструментального индендентирования
Типичное время измерений
• Менее 5 минут необходимо для первого измерения нового образца.
• После загрузки нового образца не требуется времени для температурной стабилизации.
Выполнение индентирования
• Диапазон скоростей нагрузки: от 0 до 1000 мН/мин.
• Используемая нагрузка: от 0.01 до 50 мН (до 100 мН с опцией макс. нагрузки 100 мН).
* Это значение зависит от шумовой защищенности лаборатории и от вибрационной защиты
помещения.
//// Спецификации Платформ CSM
CSM Instruments предлагает две платформы для проведения измерений: Компактную платформу
(CPX) и Открытую платформу (OPX) (смотри рис 5 с изображениями платформ). Описание платформ
доступно в виде отдельной брошюры, которую вы можете получить обратившись к официальному
представителю.
Компактная платформа (CPX)
Открытая платформа (OPX)
Рисунок 5. Модули для интентирования и скретч-тестирования устанавливаются на
одну из платформ. На Компактной платформе (а) можно разместить 2 модуля, а
на Открытой платформе – 3 модуля. Обе платформы в стандартном
исполнении оснащены видеомикроскопом.
OPX диапазон CPX диапазон Стандартное разрешение Высокое разрешение
Перемещение
столика
по X,Y и Z
X : 245 мм
Y : 120 мм
Z : 30 мм
120 мм
20 мм
30 мм
0.25 мкм
0.25 мкм
10 нм
0.1 мкм (опция)
0.1 мкм (опция)
Максимальный
Компактная платформа: 230 x 580 x 120 мм
размер образца
Открытая платформа: 250 x 480 x 120 мм
по X,Y и Z
Область
доступная для
анализа по X,Y
Компактная платформа:
70 x 20 мм
Открытая платформа: 195 x 120 мм
Размеры
системы
Компактная платформа: 600 x 600 мм, 1200 мм высота (с антивибрационным столом)
Открытая платформа: 900 x 600 мм, 1200 мм высота (с антивибрационным столом)
Общий вес: ~ 150 kg
Имеющиеся области анализа указывают на площадь возможного автоматизированного анализа в
плоскости X и Y. Эта область может также изменяется и для других исследовательских модулей (Скретч
тестера, АСМ, и конфокального микроскопа).
> Точность позиционирования
• Стандартное разрешение столика по X и Y: 0.25 мкм по каждой оси.
• Точность репозиционирования стандартного столика: 1 мкм по каждой оси.
Информация о столике высокого разрешения доступна при обращении к официальному
представителю. Все перемещения предметного столика осуществляются при помощи манипулятора
типа «джойстик».
//// Акустическая защита (защита от вибрации)
Использование акустической защиты (колпака) настоятельно рекомендуется при работе прибора, что
позволяет защитить машину от звуковых колебаний, таких как человеческий голос и другие шумы.
Акустическая защита позволяет ослабить звуковые колебания с частотами от 100 до 10000 Гц: 50 Дб.
Частотный резонанс головки для ультра-нано-индентирования находится около 130 Гц.
Открытая платформа в акустической защите с Ульра-нано-твердомером