机械毕业设计英文外文翻译318论述压痕测试法和原子力显微镜的SI可跟踪力计.docx

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机械毕业设计英文外文翻译318论述压痕测试法和原子力显微镜的SI可跟踪力计

附录A

论述压痕测试法和原子力显微镜的SI可跟踪力计量学

摘要：

本文论述压痕测现状试法和原子力显微镜（AFM）的微小力计量学的现状并特别针对全国科学与技术研究会（NIST）提出的新的电力和自重力的标准。

这些标准提供计量学的基础结构所以压痕测试法和原子力显微镜的使用者可根据国际上认可的计量单位表示的力对材料，工作表面和纳米设备进行微机械测试。

关键字：

原子力显微镜，压痕测试法，微小力校准

1.SI计量学和可追踪性

国际单位系统（SI）的计量等级是很简单的。

国家计量院（NMIS）维持着反映实际物体计量单位的原始标准。

NMIS校准secondaryartifacts.这些secondaryartifacts和transferartefacts传播与NMI，而且校准其他的传感器和仪器，他们反过来校准其他的传感器和仪器。

每个校准与原始标准有换算关系，在传递结束后为了确保单位的实际值，随着单位从一个设备传到另一个设备的误差在每个阶段被估计。

这是SI传递的基本。

力派生与国际单位制，这意味着力的原始标准起源于由SI的基本单位（kg,m,s）组成的牛顿的定义。

力的原始标准是由质量artefact与适当的长度和时间的单位表示的当地的地心引力组成的。

这类里是根据重力的名称而来的，很多根据重力另传感器测力的机器被发明了。

事实上，由于测试材料和工业产品时力的测量标准的原因，NIST仍保持着静重式力标准机，在美国这些机器在力的计量等级上起着重要的作用。

同样，世界上很多其他国家计量院（NMIS）留用重力测量设备。

对这些设备进行相互比较，即几个NMI轮流校准相同高稳定度的secondaryartifact形成相互承认的排列，这些排列保证了统一的国际测量标准而且给商业和贸易带来了方便。

2.微机械测试，标准和力的计量法

微机械的特性测试技术的应用刺激了压痕测试法和原子力显微镜的测量法和校准标准的发展，如附着力，硬度弹性模量，薄膜，涂料，微机电设备和系统，纳米材料的扩展阵列。

这些机械特性大部分是由压痕测试法和原子力显微镜对力和位移的测量测出来的，利用摩擦计和张力计研制出了功能相似的测量法

2.1国际标准

近几年，压痕技术扩展到更小的力和位移的领域。

通过分析这些力-位移数据可以测定出样品的硬度和弹性模量。

这种测量方式通常被称为instrumented或压痕深度检测。

当用于微小力和深度测量时这种技术被称为纳米压痕测试。

位移分辨率大于1nm,力的分辨率大于1µN是纳米压痕测试的特征。

仪器和数据分析的进步另纳米压痕测试法能测量材料非常细微的力学性能，特别是对薄膜和涂料如汽车涂料，增加切断刀具寿命的TIN涂料，计算机硬盘驱动曲面。

如果厂家生产用一种纳米压痕测试法规格测量的刀具的话市场上会出现混乱，因为目前只有一种国际测试标准（美国没有）使用于纳米压痕测试，而且检验这种测试仪器的程序目前还不充分。

有一种被认可的国际标准（ISO/DIS14577-1，2，3）称为‘金属材料-硬度和材料参数的压痕测试，但它只使用于大批材料的测试。

涉及薄膜测试的文件的第四部分（ISO/DIS14577-4）还没有被认可。

2.2微机械的计量学

受到以上标准化工作的影响NMI开始研究国际单位制框架内可追踪的可以测量和传播微小力的方法。

在这里我们对这些工作做简单的综述。

本文仅仅是为了提供目前技术发展水平的情况。

从纳到微级的我们的工作，用静电力秤（EFB）得到的10-8N到10−4N的力已经得到NIST的认证而且用于校准secondaryforceartifact基于Veeco,Inc.,而且随后被AsylumResearchMolecularForceProbe所用，因此说明原子力显微镜材料测试仪器的校准是符合国际单位制的。

除了美国，在英国的国家物理实验所研制出了另一个静电力秤系统，此系统可以令NISTEFB得到改进，预计2005年的九月可以实现。

同时，德国的PTB也研制了cantilever-typeforcecells基于压阻应变传感，这些设备与测力计和刚度计一样得到了校准。

在更高的量级，从几百微牛顿到几百万牛顿，NMI正研制基于自重力的原始力校准系统。

PTB利用传统的电子秤的秤盘上的精确的压力传感器。

两个系统已经宣布，这种秤是根据力的范围进行分类。

NIST利用重力对力传感器进行校准，这个传感器是我们曾用以证明压痕力的力的单元，我们也建立和测试了自己设计的基于电容的力单元。

3．NIST的SI可传递的微小力的等级

为了利用国际单位制对牛顿的定义了解力的单位，力必须由国际单位制的基本单位组成的单位来表示。

从基本单位获得单位通常是不确定度最小的途径，但这并不是唯一的方法，例如，电子力可以由国际单位制的长度单位结合适当的电的单位测量。

电的单位从国际单位制获得，也可以由基于约瑟夫效应和量子霍而效应的伏特和欧姆表示，所以它可以由很多种不确定度很小的力学测量方法，这与质量的情况不一样，力的电子显示方法有用瓦特秤的电磁力和用伏特秤的电工力。

虽然这些秤实验最初是想用力学量单位对电子单位下定义，但是量为基础的电子标准的可行性让这些秤实验代替了公斤。

承认基本的计量学趋势，基于电子力的原始标准的发展曾是NIST做小力计量学实验室的主要的目标。

图1用基于小于10-5N的力的由长度，电容，电压组成的单位表示的力表示了NIST微小力计量学的计量等级。

我们从对电子力的描述和如何与自重力核对考试。

接下来的是关于能连接电子力的力的单位的传播。

最后我们用对更大规模的自重力系统的简单论述和它的为证实从压痕检测仪器测出的力校准传播导出量的使用下结论。

3.110-8N到10-4N的微小力的原始标准：

NIST的电子力秤。

在NIST，我们从电力学了解了微小力的原始标准，而且为了用电容器的布置了解力建造了一系列不断精致的系统。

根据图2，图3的NIST电子力秤和EFB可以对原始标准说明，从图中可以看到，这个秤安装在直径大约为1m的专门设计的真空室里的专用的安装台上。

EFB安装在安装台上的三条腿上，三条腿从真空室地板伸出通过可伸缩的到空的凸缘的风箱。

这些安装台的腿由真空室下面的花岗岩支撑，如图3所示。

因而，真空室和设备是通过风箱接触的。

这个实验可以在空气或惰性气体里进行，但是在真空中进行可以避免空气的对流对敏感的秤的悬架的影响。

而且在真空中进行实验减小折射量的调整和另电容的间隙保持不变。

EFB由一个电子力发生器组成，它能沿垂直轴移动（Z轴）；根据当地的地心引力调整，当电压传到一对同轴的圆柱体时力就会产生。

当内部的圆柱体沿Z轴移动时外部的高电压圆柱体会固定不动，改变重叠的程度。

电容的大小随着两个圆柱体的重叠程度而变化。

因为同轴的布置，内表面的电容倾斜度完全对称，所以产生的电子力指向Z轴，为了保证轴的对称，内部的圆柱体悬挂在有一系列弯曲轴的平衡力平行四边形连接装置。

这个装置提供准确运动的轴，方便地根据重力进行调整，对非轴向力不敏感，做涨力实验时轴向硬度达到0.001Nm-1。

3.2用EFB校准力

在传统的力的等级，测力传感器是与应变仪安装的，应变仪使力的变化转换成电阻的变化。

在这个力的等级，AFM的悬臂作成压阻的模式，这样就成了应变仪的半导体，所以这些悬臂功能上与测力传感器是一样的。

压电AFM悬臂不是规范，很少的样本能够通过商业获取。

但这样的装置可以通过使用常用的半导体制造技术获得。

附录Ｂ

ReviewofSItraceableforcemetrologyforinstrumentedindentationandatomicforcemicroscopyandDouglasTSmith

Abstract：

Thispaperreviewsthecurrentstatusofsmallforcemetrologyforquantitativeinstrumentedindentationandatomicforcemicroscopy（AFM）,andinparticularfocusesonnewelectricalanddeadweightstandardsofforcedevelopedattheNationalInstituteofStandardsandTechnology（NIST）.ThesestandardsprovidemetrologicalinfrastructuresothatusersofinstrumentedindentationandAFMcanachievequantitativenanomechanicaltestingofmaterials,engineeredsurfacesandmicroandnanoscaledevicesintermsofforcesthatareexpressedininternationallyacceptedunitsofmeasurewithquantifieduncertainty.

Keywords:

atomicforcemicroscopy,instrumentedindentation,micronewton/nanonewtonforcecalibration

1.SImetrologyandtraceability

ThehierarchyofmetrologywithintheInternationalSystemofUnits（SI）isconceptuallysimple:

primarystandardsthatreflectapracticalphysicalrealizationofaunitofmeasurearemaintainedbynationalmeasurementinstitutes（NMIs）wheretheyareusedtocalibratesecondaryartefacts;thesesecondaryortransferartefactsaredisseminatedfromtheNMIandusedtocalibrateothersensorsorinstruments,whichinturnareusedtocalibrateyetothersensorsandinstruments.Eachcalibrationisacomparisonbacktotheprimarystandard,andtheuncertaintyassociatedwithpropagatingtheunitfromonedevicetothenextisevaluatedateachstepinordertoplaceboundsontheactualvalueoftheunitafteritspropagationthroughthischain.ThisistheessenceoftheSItraceability.ForceisaderivedunitintheSI,meaningthatprimarystandardsofforcearederivedfromthedefinitionofthenewtonusingacombinationofbaseSIunits（kg,mands）.Typically,aprimarystand