随着超精密加工技术、纳米技术、微机电系统等的发展，迫切需要微纳米级表层质量的检测技术和评价方法。在材料微纳米级表层质量的检测中，硬度是评价材料力学性能的一种简单、高效的手段，但传统的硬度测量由于受到测试系统分辨率的限制，已不能满足要求;而通过纳米硬度计测量获得的压痕信息太少，也不利于对材料微纳米级表层硬度等力学性能的研究。因此，对微纳米级表层硬度检测技术进行研究具有重要的理论价值和现实意义。　　为了满足对材料微纳米级表层硬度研究的需要，本文研制了一套检测系统，它由一个二维工作台、以及集成在工作台上的微纳米级压痕制备装置和压痕形貌扫描装置的测头机构组成，此检测系统能同时获得的载荷-压深曲线和压痕三维形貌。此检测系统既克服了在微纳米尺度下不易找到压痕的不足，又避免了直接用纳米硬度计进行扫描压痕形貌时受力信号分辨率的限制。　　在对压电陶瓷特性研究的基础上，对压电陶瓷的驱动控制技术进行了研究。研制了一套采取多路稳压电路串联起来作为高压电路，能自动反馈调整输出电压的压电陶瓷驱动电源，它具有低波纹、高频响、驱动能力强和稳定性好等特点。在比较分析了各种压电陶瓷控制技术的基础上，本文采用了基于Preisach模型的模糊自整定PID参数控制算法，并用此算法对检测装置进行控制，试验结果表明能达到纳米级的控制精度。为了对检测装置中的微位移进行检测，研制了一种可方便调整电容极板位置，并具有纳米级分辨率的电容式位移传感器。　　在微纳米尺度下，利用纳米硬度计和Oliver-Pharr方法计算得到的硬度值与传统硬度的定义不一致，无法建立起宏观硬度与微纳米级硬度之问的联系;而利用传统的硬度计算方法又不适合于微纳米级尺度下的硬度计算。因此，本文提出了一种新的计算材料微纳米级表层压痕面积和硬度的计算方法，即直接面积法。利用本文研制的检测系统可计算得到压痕的最大载荷和实际塑性变形面积，并用他们的比值作为被测样品的硬度值。这种硬度计算方法适合微纳米级表层硬度的测试，而且与传统的硬度定义一样，有利于建立起与宏观硬度之间的换算关系。　　在对材料微纳米级表层硬度的检测中，本文研究了载荷加载速度、压头的圆弧半径、材料表层残余应力等对硬度值的影响，并对现有的解释硬度压痕尺寸效应的模型和方程进行了试验分析研究，认为硬度压痕尺寸效应是多种因素作用的结果。本文以实际测得的压痕残余面积和最大压深为变量，提出了一个新的解释硬度压痕尺寸效应的模型—残余面积最大压深模型，并利用单晶铝和单晶硅的硬度测试试验结果，对此模型进行了分析研究，证明此模型有利于更好地理解和解释硬度压痕尺寸效应。