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O TriboIndenter TI 750 da Hysitron é um sistema de medição nanomecânica de última
geração que fornece sensibilidade e desempenho necessários à esta tecnologia em crescimento.
O TI-750 incorpora o novo e avançado controlador PerformechT , o qual que melhora
significativamente a precisão dos ensaios nanomecânicos controlados por feed-back,
fornecendo a possibilidade de dois cabeçotes para conectividades em escalas sub-nano
e sub micro, oferecendo excelente relação de ruído.
As numerosos técnicas e métodos de teste nanomecânicos atualmente disponibilizados,
assim como, os novos métodos de ensaios desenvolvidos, fazem ao sistema do TI 750
uma ferramenta excepcionalmente versátil e eficaz da caracterização para a escala
de aplicações nanomecânicas.
Grande variedade de opcionais, tais como diferentes tipos de penetradores, software
de mapeamento de módulos, sistema de aquecimento, pacote para análises biológicas,
pacote para ensaios dinâmicos, etc.
O ensaio automatizado no TI 750 pode ser realizado em duas diferentes. O piezo-scanner
utilizado para para a obtenção de imagens SPM in situ também pode ser utilizado para
o posicionamento tridimensional do penetrador para os ensaios nanomecânicos. Graças
a isto, um posicionamento de alta resolução dos ensaios em pequenas áreas de uma amostra.
O software de operação, com inferface amigável pode ser usado para gerar imagens retangulares
automáticas ou, através do ClickModeT, é possível a seleção e posicionamento através
da operação ponto-e-click na imagens do SPM.
O software easy-to-use de TriboScanT permite os testes padrões retangulares ou circulares
ou as posições definidas pelo utilizador específicas a setup testando dentro dos minutos.
A automatização permite que os milhares de testes sejam executados sem a intervenção
do usuário. Isto melhora a repetibilidade do teste removendo a variabilidade do usuário,
assim como a eficiência crescente do instrumento e do usuário. Este nível de automatização
fornece a produção necessária para a descoberta combinatória dos materiais e para
a amostragem estatística verdadeira de propriedades materiais. A automatização dos
recortes, dos riscos, dos testes de desgaste, dos testes de rastejamento e dos testes
quasistatic do abrandamento de esforço, tudo com imagem lactente in situ de SPM, é
apenas algumas das possibilidades do teste fornecidas pelo sistema de teste nanomechanical
do TI 750.
Seu software amigável TriboScanT permite rápidas seleções e ajustes das posições a
serem analisadas.
Nano-indentação Quasistatic
A modo padrão da Nanoindentation Quasistatic é utilizado inicialmente para avaliar
o módulo e a dureza dos materiais. A grande sensibilidade do TriboIndenter TI 950
garante este sistema como o de maior desempenho nesta área. A larga de faixa de atuação
do sistema, dos seus algoritmos de controle superiores de feed-back e das altas taxas
de aquisição de dados de até 30 kHz possibilitam ao usuário monitor eventos transientes
e os efeitos do monitor da taxa de tensão em materiais não disponíveis em outros sistemas
no mercado. Adicionalmente aos testes do nano-indentação podem ser realizados ensaios
tais como coordenadas óticas das experiências single-shot , a obtenção de imagens
in situ e também, a realização de ensaios automatizados. A repetibilidade dos dados
faz à da automatização um recurso valioso para os usuários que exigem uma produção
elevada ou a amostragem estatística, como análise combinatória da ciência de materiais
ou em ensaios de amostras não-homogêneas.
Teste de Nanoscratch
Defeitos coesivos ou interfacial de filmes finos e comportamentos tribológicos podem
ser observados através de ensaios nanoscratch quantitativos via rampas de cargas ou
via cargas constantes. Os ensaios de nanoscratch da Hysitron são realizados unicamente
via mecanismos de atuação internos do transdutor, eliminando ruídos provocados por
estágios móveis. Os ensaios de nanoscratch podem também ser realizados como medições
individuais através dos recursos de imagem AFM in-situ ou através de modos automatizados.
Estes tipos de ensaios nanoscratch são utilizados extensivamente na avaliação de discos
rígidos e por outras industrias eletrônicas e de semicondutores, visando avaliar o
desempenho tribológico de seus filmes.
O 3D OmniProbe pode ser utilizado em aplicações scratch/tribológicas as quais exigem
cargas mais elevadas e comprimentos de riscagem mais longos de até 150mm. O 3D OmniProbe
possibilita a utilização da sensibildidade de detecção de profundidades nanomecânicas
ai mundo da caracterização tridimensional. Através desta tecnologia de alta sensibilidade
de detecção de cargas e deslocamentos tridimensionais, o 3D OmniProbe atende os grandes
desafios da pesquisa mecânica e tribológica em materiais.
Imagem SPM in situ
O modo de imagem SPM in situ é uma poderosa forma de auxiliar na seleção da posição
de um teste nanomecânico dentro de uma distância de +/-10nm, necessidade absoluta
para a avaliação apropriada de muitos materiais avançados. Este sistema utiliza a
mesma ponta para a penetração e para a imagem in situ de SPM, oferecendo atualização
"on-the-fly" dos parâmetros do controle e varredura. O TI 950 TriboIndenter possui
a vantagem de obter as informações topográficas da área analisada imediatamente antes
e imediatamente após o ensaio nanomecânico, garantindo resultados e avaliações exatas
relativos ao comportamento de deformação material analisado. O software de controle
de TriboScan pode obter quatro imagens diferentes da topografia e do gradiente de
topografia de 256 x 256 pixels em somente 85 segundos, com visualização em tempo real
de todas as quatro imagens. O TI 950 pode, confiavelmente, obter características da
superfície de imagem nas forças do contacto tão baixas quanto 70nN, fornecendo precisamente
imagens em uma ampla escala de materiais e de estruturas de superfície sensíveis.
ScanningWearT
O teste de ScanningWear se trata de um processo que gera uma região desgastada, aplicando
as cargas de fricção para a remoção ou o deslocamento de material. O TI 950 TriboIndenter
permite o teste nanowear em uma área bidimensional para determinar a taxa de remoção
de material sob uma carga normal constante. Os testes nanowear múltiplos, com diferentes
cargas, podem ser realizados através de uma operação automatizada.
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Características do hardware
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Transdutor capacitivo patenteado da Três-Placas
A Hysitron utiliza um conjunto capacitivo patenteado do transdutor da três-placas
como o coração do instrumento de TriboIndenter TI 750. A carga é aplicada eletrostaticamente,
enquanto o deslocamento é medido simultaneamente através da mudança na capacidade
entre as placas. A atuação eletrostática não exige quase nenhuma corrente, tendo assim
como resultado, virtualmente nenhuma tração térmica durante a atuação. A técnica exclusiva
de atuação fornece características superiores da tração quando comparadas a outros
métodos da atuação, os quais exigem grandes correntes e geram grandes quantidades
de tração térmica. A baixa tração é crítica para uma rápida aquisição de dados com
alto grau de exatidão e grande repetibilidade.
Isolação acústica e térmica
Um gabinete para isolamento ambiental com iluminação fria de LEDs e uma porta de acesso
transparente fornecem um grande isolamento contra variações térmicas, virações de
ar e ruídos acústicos. O projeto do gabinete também permite um rápido acesso da amostra,
bem como, uma excelente visualização dos componentes internos. O gabinete utiliza
camadas múltiplas de materiais de amortecimentos acústicos densos e de pouco peso
para obstruir eficazmente fontes de ruído acústicas sobre ambas, baixa (< 1kHz)
e altas freqüências. O gabinete do TI 950 assegura um máximo desempenho em diferentes
condições ambientais.
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Características do software
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Software TriboScan
O software de TriboScan v.9 controla o TI 950 e fornece uma grande variedade de poderosos
editores gráficos poderosos para facilitar as operações automatizadas, ensaios simples,
imagens in situ de SPM e a análise de dados nanomecânicos. As coordenadas do estágio,
ensaios padrões, automatização de métodos de ensaio, funções da carga, dureza e determinações
de módulo, as calibrações, as preferências de usuário e os espaços de trabalho são
executados de uma forma intuitiva aos cientistas e aos coordenadores e também fácil
de ser utilizados por operadores. Os métodos automatizados de ensaios empregam um
algoritmo que forneça uma combinação virtualmente ilimitada de ensaios e de experiências
nanomecânicas da imagem lem uma única operação. O conceito de trabalho satisfaz as
demandas originais de um ambiente multi-usuário, permitindo que cada usuário conserve
seus parâmetros pessoais dos ensaios. O TriboScan oepra em um ambiente dedicado Windows
Xp®.
Controle de Feedback
O feed-back digital de alta velocidade durante o nanoindentação possibilita um sofisticado
controle de forças do contacto do penetrador-amostra ou do deslocamento do penetrador.
Os simples algoritmos de controle (PID) derivados integrais proporcionais não trabalham
bem sobre uma escala larga dos materiais devido à impedância rápida em mudança do
contacto que ocorre durante a nano-indentação. Hysitron fêz grandes passos em melhorar
esta tecnologia de controle do PID, executando controles mais apropriados para a física
do transdutor, assim como, para a física do contacto em desenvolvimento do penetrador-amostra.
Conseqüentemente, o controle de feed-back fornece o comando do nano-indentação que
reproduz fielmente a solicitação do usuário. Todas as funcionalidades do controle
de gabarito são realizadas por um DSP dedicado e por um controlador baseado FPGA.
O FPGA e a arquitetura por aquisição de dados paralela permitem a taxa de amostragem
elevada (78.000 amostras /s) em definição 24-bit para até 24 canais simultaneamente.
Nano-indentação com Carga-Controlada - as curvas do carga-deslocamento são obtidas
ao se manter as forças do contacto do penetrador-amostra (um pouco do que a carga
aplicada total) em valores pré-definidos, dependentes do tempo. O segmento da pressão
na força máxima pode ser usado para analisar a fluência dos materiais. A determinação
de tração de carga-controlada é realizada antes da execução da carga solicitada contra
o tempo. Uma nova característica de pré-fixação do transdutor ao ar através de meios
eletrostáticos permite seguir as trações positivas e negativas quando do contacto
com a amostra.
Nano-indentação com Deslocamento-Controlado - as curvas do força-deslocamento são
obtidas ao se manter a penetração do penetrador em valores pré-definidos de tempo.
Operando-se sob o controle de deslocamento, o segmento fixo na penetração máxima pode
ser utilizado para analisar o relaxamento de esforço dos materiais. O usuário pode
especificar uma altura do elevador a ser atuada em cima da determinação carga-controlada
no meio da tração e de avanço para diante deslocamento-controlado do penetrador. Esta
característica aumenta a exatidão da determinação ponto-zero,permitindo a medida de
forças atrativas durante a aproximação da amostra. O modo de nano-indentação com deslocamento-controlado
também invoca a compensação tempo real da tração do penetrador-amostra e da conformidade
da máquina. As análises e os estudos baseados em energia de adesão são outras áreas
de aplicação que podem usufruir desta modo de operação.
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Especificações técnicas do TI-750
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IÍTEM
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ESPECIFICAÇÃO
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Cabeçote de penetração 1D de alta
resolução |
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Deslocamento normal |
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(a) resolução |
<0.02nm |
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(b) ruído |
<0.2nm |
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(c) deslocamento total vertical do penetrador |
~50mm |
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(d) profundidade máxima de penetração |
>5µm |
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(e) deslocamento térmico |
0.05nm/s |
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Carga Normal |
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(a) carga maxima |
10mN |
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(b) resolução |
<1 nN |
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(c) força de contato mínima |
70nN |
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(d) ruído |
<=30nN |
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(d) taxa máxima de carregamento |
>50mN/s |
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ÍTEM
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ESPECIFICAÇÃO
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Imagem SPM In-situ |
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(a) força minima de imagem |
70nN |
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(b) taxa de varredura |
0.01Hz-3.0Hz |
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(c) resolução |
256x256 linhas por imagem |
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(d) volume máximo |
60x60x4 um |
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(e) exatidão de posicionamento de ponta |
+/- 10nm |
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(f) imagem automática com capacidade
de penetração |
Sim |
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(g) automação do piezo para permitir
a seleção de posição através de ensaio point-and-click e seleção de padrões para penetrações
automáticas |
Sim |
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ÍTEM
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ESPECIFICAÇÃO
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Varredura de desgaste |
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(a) tamanho ajustável de linhas |
Ajustável de <1 um a 60 um |
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(b) velocidaade |
<= 180 um/s |
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(c) faxia de cargas |
70nN- 1mN |
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ÍTEM
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ESPECIFICAÇÃO
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Estágio X, Y, Z |
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(a) deslocamento X-Y |
25mmx25mm |
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(b) resolução micropasso Z |
3nm |
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(c) deslocamento |
50mm |
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(d) velocidade máxima translação Z |
1.9mm/s |
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ÍTEM
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ESPECIFICAÇÃO
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Controlador Performech |
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(a) arquitetura do controlador |
DSP embarcado e FPGA dedicado para cada
banco de conversores ADC e DAC para operação paralela |
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(b) conectividade externa |
USB 2.0 |
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(c) número total de ADC |
8-24* |
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(d) resolução ADC |
24 bit |
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(e) taxa de amostragem ADC |
78,000/s simultaneos |
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(f) número total de DAC |
13-21* |
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(g) resolução DAC |
16 bit (20 bit com sobre amostragem) |
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(h) taxa de amostragem DAC |
78,000/s simultaneos |
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(I ) número total de DIO |
16 IN e 16 OUT |
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*número depende da configuração do sistema |
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ÍTEM
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ESPECIFICAÇÃO
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Aquisição de dados |
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(a) taxa de aquisição de dados (open
and closed loop) |
até 30,000 pontos/s |
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(b) tempo de carregamento |
0.1 - 2000s |
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(c) número máximo de segmentos de cargas |
2,000 |
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(d) taxa de Feed back em operação closed
loop |
78kHz |
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ÍTEM
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ESPECIFICAÇÃO
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Microscópio óptico |
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(a) resolução |
1 um |
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(b) zoom digital |
0.5X - 11X |
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(c) objetiva |
20X |
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(d) ampliação (monitor) |
220X-2200X |
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(e) máximo campo de observação |
625x550 um |
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(f) mínimo campo de observação |
28x22 um |
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ÍTEM
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ESPECIFICAÇÃO
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Isolamento ativo |
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(a) faixa de frequências |
1.0 - 200Hz amortecimento ativo
>200Hz amortecimento passivo |
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(b) transmissibilidade |
<0.017 acima de 10Hz e decrescendo
rapidamente acima de100Hz |
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(c) ruído do sistema |
<50ng por raiz Hz de 0.1-300Hz |
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(d) garantia de estática |
14.0µm/N vertical, 28µm/N horizontal |
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(e) forces de correção |
16N vertical, 8N horizontal |
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ÍTEM
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ESPECIFICAÇÃO
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Gabinete para isolamento acústico
e térmico |
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(a)amortecimento com múltiplas camadas
acústicas |
Ruído ambiental deve ser menor que 75
dB. |
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(b) grande acesso frontal para melhor
acesso de amostras |
. |
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(c) grandes janelas laterais para melhor
visualização |
. |
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(d) vedação contra atmosfera |
. |
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(e) dimensões da base |
+/- 80 cm x 85 cm. |
Teste de Nanoscratch
Defeitos coesivos ou interfacial de filmes finos e comportamentos tribológicos podem
ser observados através de ensaios nanoscratch quantitativos via rampas de cargas ou
via cargas constantes. Os ensaios de nanoscratch da Hysitron são realizados unicamente
via mecanismos de atuação internos do transdutor, eliminando ruídos provocados por
estágios móveis. Os ensaios de nanoscratch podem também ser realizados como medições
individuais através dos recursos de imagem AFM in-situ ou através de modos automatizados.
Estes tipos de ensaios nanoscratch são utilizados extensivamente na avaliação de discos
rígidos e por outras industrias eletrônicas e de semicondutores, visando avaliar o
desempenho tribológico de seus filmes.
Estágio da traslação automatizado
Um controlador avançado do micropasso, equipado com os circuitos de anti-ressonância
é utilizado para fornecer definições da passos de 50nm em X e em Y, e 3nm no Z. Acidentes
com batidas no cabeçote são drasticamente reduzidos graças ao circuito de parada de
emergência, que bloqueia eletronicamente o controlador do estágio e o controlador
do transdutor. A plataforma da translação é apoiada por uma plataforma dimensional
estável do granito. Os vários suportes magnéticos, mecânicos, e do vácuo estão disponíveis
para fixar firmemente amostras múltiplas ou um único wafer.
Isolação de vibração ativa
Um sistema avançado do amortecimento de vibração garante uma isolação ativa de 3-eixos
de até 200Hz e uma isolação passiva além desta freqüência. Uma vantagem significativa
do amortecimento ativo da vibração é a habilidade de amortecimento crìtica à ressonância
mecânica (~1Hz) do sistema da isolação, conseguindo desta forma, um tempo muito rápidos
de estabilização
Ensaio Dinâmico nanoDMA II ®
Hysitron desenvolveu um completo sistema de ensaios de análises mecânicos dinâmicos
(DMA) em nano-escala, revolucionando assim a habilidade de caracterizar as propriedades
mecânicas de volumes pequenos de materiais visco-elasticidade. Uma ferramenta indispensável
para a pesquisa de polímeros e numerosas outras aplicações, o nanoDMA II incorpora
as medidas dinâmicas automáticas de módulos armazenados perdidos, medidas de rigidez
do contacto, e do delta tan em função da freqüência e da carga.
Os métodos do teste do nanoDMA II incluem:
- Varredura de freqüência na carga constante - Quasistatic carga-descarga com carga
dinâmica variável - Quasistatic carga-descarga com carga dinâmica constante - Quasistatic
constante para relação dinâmica da carga durante o ensaio
Mapeamento de Módulos
O mapeamento de módulos (força de oscilação sobreposta em uma força constante da imagem)
amplia o poder do nanoDMA fornecendo a informação do módulo armazenado e perdido em
um formato bidimensional da imagem de alta definição. Esta característica possibilita
quantificar quantitativa as propriedades elásticas de uma superfície. A função de
mapeamento de módulos utiliza a habilidade original de Hysitron de combinar pequenas
forças com um preciso controle de posição da ponta, fornecendo mapas quantitativos
da propriedade mecânica com definições de 5nm. Um único mapeamento equivale a executar
uma série de 256 x 256 testes dinâmicos individuais (65.536 testes podem ser adquiridos
em somente 10 minutos). O mapeamento de módulos é ideal para investigar as propriedades
elásticas e as interfaces de materiais não-homogêneos
Transdutor de 1DForça Extendido
Forneçe forças até 30mN para ensaios nanomecânicos quasistatic comparado com 10mN
padrão. As especificações são similares são comparáveis àquelas do transdutor 10mN.
Controle térmico
O estágio do controle de temperatura para o TI 950 pode atingir temperaturas entre
-10°C a +200°C . Um controlador de feed-back PID é utilizado para garantir uma variação
de temperatura < 0.1°C em toda a escala de temperatura. O estágio do controle de
temperatura pode ser utilizado em conjunto com técnicas de nano-indentação, de nanoscratch,
de nano desgaste e do nanoDMA fornecendo uma compreensão detalhada de como os materiais
se comportam quando testados com variações de temperaturas. Hysitron igualmente oferece
um estágio 37°C para o uso nas aplicações biológicas onde são necessários ensaios
na temperatura do corpo humano.
nanoECR (resistência de contato elétrico)
O nanoECR? fornece a capacidade de medir simultaneamente propriedades nanomecânicas
e elétricas dos materiais e regiões de nano-escala. Esta técnica de caracterização
recentemente desenvolvida, referida geralmente como o nano-indentação condutora, combina
o hardware do nanopenetrador com uma ponta de prova condutora do penetrador e uma
tensão/fonte atual para obter um correlações de da força, do deslocamento, da tensão,
e da corrente baseadas no tempo. As medições nanomecânicas e elétricas utilizadas
no sistema tem provado ser altamente sensíveis às condições do contacto da ponta de
prova/amostra assim como a deformação material e/ou o comportamento induzido esforço
da transformação. O nanoECR realça drasticamente as informações geradas nas medidas
de nano-escala.
Durante um ensaio de nano-indentação condutivo, o usuário especifica a tensão da ponta
de prova/amostra (v) ou a corrente (i) através do contacto da ponta de prova/amostra
para obter a resistência de contacto. A plataforma do nanoECR igualmente torna possível
executar medidas da varredura I-V sob condições altamente controladas de carga ou
de deslocamento. A amostra é acoplada eletricamente a um estágio condutor enquanto
a ponta de prova condutora penetra na superfície da amostra e a resistência de contacto
elétrico é medida continuamente. O trajeto da condução atravessa diretamente da amostra
à ponta de prova, eliminando a necessidade de utilização de um fio externo decrescendo
desta forma, a sensibilidade de sistema. O transdutor de baixo padrão capacitivo,
combinado com deslocamentos de baixos ruídos e com ruídos de 20pA permitem pequenas
variações na resistência de contacto elétrico (devido à mudança da área de contacto,
nucleação da deslocação, transformações da fase, etc..) ser medido exatamente.
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Especificações dos opcionais
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Deslocamento lateral |
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(a) resolução |
<0.02nm |
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(b) ruído |
<2nm |
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(c) deslocamento máximo |
15µm |
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(d) deslocamento lateral mínimo |
500nm |
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(e) deslocamento térmico |
0.05nm/s |
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Carga Lateral |
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(a) carga maxima |
2mN |
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(b) resolução |
<50nN |
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(c) ruído |
<3,5µN |
nanoDMA II
Faixa de frequências (em contato): 0.1Hz - 300Hz
Resolução: 1.0N/m
Forças AC: 50nN - 500µN
Forças DC: 70nN - 10mN
Mapeamento de Módulos
Frequência otimizada de ensaios: 200Hz
Número de pontos em típica imagem: 256 x 256
Máxima área mapeada: >60µm x 60µm
Resolução de propriedades mecânicas: <=5nm
Transdutor de 1DForça Ampliado
Máxima Força: 30mN
Resolução de força normal: 3nN
Mínima força de contato: <70nN
Máxima taxa de força: >50mN/s
Estágio de Aquecimento 37°C
Faixa de operação: ambiente a 37ºC
Desvio térmico (na temperatura ajustada): <0.2nm/s
37ºC atingido em 10 minutos
Área da placa de aquecimento: 30mm x 30mm
Dimensões da unidade de controle: 480mm x 430mm x 175mm
Estágio de Aquecimento & Resfriamento
Faixa de operação: -10ºC a 200ºC
Desvio térmico (na temperatura ajustada): <0.3nm/s
200ºC atingido em 10 minutos
-10ºC atingido em 20 minutos
Área da placa de aquecimento: 30mm x 30mm
Dimensões da unidade de controle: 480mm x 430mm x 175mm
AFM integrado
Modos de operação: contato, contato intermitente, altura-Z e fase.
Exatidão de posicionamento da ponta +/-2µm
Faixa de varredura X-Y: 40µm x 40µm
Resolução X-Y: 7Å
Deslocamento Z : 4.5µm
Resolução Z : 0.7Å
Área de ensaio: 140mm x 60mm
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Pré-requisitos de instalação
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Dimensões e Peso
Peso total do sistema (sem computador e monitor): 300kg
Espaço total necessário: 86cm largura x 80cm profundidade x 170cm altura
Uma bancada adicional deve ser instalada próxima para colocação de computador
Ruído Acústico
Deve ser menor do que 75dB
Vibração do Piso
Vibração permitida:
1. A máxima vibração permitida com amplitude periódica na velocidade do espectro é:
Abaixo VC-C (com limite ampliado de baixa frequência)
* 100 µm/s RMS a 1.0 Hz
*12.5 µm/s RMS a 8.0 Hz
*12.5 µm/s RMS a 100 Hz
2. A aceleração de pico (máximo ou mínimo) em um tempo de forma de onda deve ser menor
do que .001 g.
3. A aceleração RMS do tempo de forma de onda para um ensaio de 1hora deve ser menor
do que 50 µg.
Alimentação Elétrica
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110 VAC
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220 VAC
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Potência maxima |
1540 VA @ 14 A |
1540 VA @ 7 A |
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Flutuações de tensão |
110 VAC ± 10% |
220 VAC ± 10% |
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Flutuações de frequência |
50/60 Hz ± 5% |
50/60 Hz ± 5% |
Se um estágio de aquecimento&resfriamento está incluso no fornecimento, uma
carga adicional de 4.5 A a 110 VAC ou de 2.5 A a 220 VAC será necessária.
Condições Ambientais
Umidade máxima no ambiente: 45%
Ambiente deve possuir uma capacidade de resfriamento, mantendo uma temperatura constante
entre 17°C e 25ºC) sem variações maiores do que +/- 5°C durane a operação normal.
Hysitron - Nanomechanical Testing Instruments
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