[發明專利]薄膜單軸雙向微拉伸裝置及薄膜變形的測量方法

有效

• 申請號: 200710120711.2
• 申請日: 2007-08-24
• 公開（公告）號: CN101109680A
• 公開（公告）日: 2008-01-23
• 發明（設計）人: 李喜德;吳文旺;章瑋寶;藺書田
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G01N3/28
• 分類號: G01N3/28;G01N3/00;G01N19/00;G01N13/16;G01B11/16
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司
• 代理人: 沈波

1.一種薄膜單軸雙向微拉伸裝置，其特征在于：該裝置含有整體結構左右對稱的支架(1)，固定在支架(1)上的、相互平行的四根滑軌(2)，可調滑塊(3)，滑塊(4)，上面粘貼有應變片(5)的兩個力傳感臂(6)，兩個載物臺(7)，兩塊壓電陶瓷(8)、兩個限位彈簧(9)；所述的四根滑軌(2)呈上下兩層排列，每層的兩根滑軌(2)位于同一水平面，可調滑塊(3)套裝在前述兩層滑軌(2)的上層滑軌(2)上，并可沿滑軌(2)左右移動，滑塊(4)則套裝在兩層滑軌(2)的下層滑軌(2)上，也可沿滑軌(2)左右移動；從水平方向看，裝置可以分上下兩層，在上層結構當中，由上層滑軌(2)提供支撐，可調滑塊(3)與一側支架壁(10)之間有一塊壓電陶瓷(8)，該壓電陶瓷(8)的一個端面與可調滑塊(3)緊密接觸，另一端面與支架壁(10)之間通過導座(12)連接，并與導座(12)緊密接觸，螺旋測微頭(13)穿過支架壁(10)、導座(12)上的導孔(11)并頂住壓電陶瓷(8)與導座(12)接觸的端面；在下層結構當中，在與前述支架壁(10)相對的另一側的支架壁(10)和滑塊(4)之間，也有一塊壓電陶瓷(8)，該壓電陶瓷(8)的一個端面與滑塊(4)緊密接觸，另一端面與支架壁(10)之間通過連接座(14)連接，并與連接座(14)緊密接觸；在與壓電陶瓷(8)相接的可調滑塊(3)的另一側面，有一個水平伸出的一端頂在可調滑塊(3)上、另一端通過連接到支架壁(10)上的彈簧座(15)的限位彈簧(9)；在與壓電陶瓷(8)相接觸的滑塊(4)的另一側面，也有一個水平伸出的一端頂在滑塊(4)上、另一端通過與支架壁(10)相接的彈簧座(15)的限位彈簧(9)；所述的導座(12)、連接座(14)與支架壁(10)相固接，彈簧座(15)與支架壁(10)通過螺紋連接；兩個力傳感臂(6)左右對稱，處于同一平面上，分別與可調滑塊(3)及滑塊(4)相固接并水平伸出；兩載物臺(7)分別連接到左、右兩個力傳感臂(6)伸出端的頭部凹座(s1)中，并相對水平伸出且端部之間有一定間距，載物臺(7)一端是萬向球(16)，另一端是載物板(s2)，萬向球(16)可通過與力傳感臂(6)相連接的鎖死結構(17)固定；壓電陶瓷(8)與驅動控制系統相連接，應變片(5)組成合適橋路與應變測量系統連接。

2.根據權利要求1所述的薄膜單軸雙向微拉伸裝置，其特征在于：所述的力傳感臂(6)，在其與可調滑塊(3)或滑塊(4)的連接端及與載物臺(7)的凹座(s1)之間，沿力傳感臂(6)的縱向方向有兩處位置開有關于縱軸線對稱的圓孔狀的槽(s3)。

3.根據權利要求2所述的薄膜單軸雙向微拉伸裝置，其特征在于：左右兩個力傳感臂(6)是用于大量程測量的力傳感臂(6)或用于小量程微力測量的力傳感臂(6)，用于大量程力測量的力傳感臂(6)的槽(s3)的直徑較小，用于大量程力測量的力傳感臂(6)上粘貼的應變片(5)是金屬應變片，用于小量程微力測量的力傳感臂(6)上粘貼的應變片(5)是半導體應變片。

4.根據權利要求3所述的薄膜單軸雙向微拉伸裝置，其特征在于：四根滑軌(2)的橫截面的中心點構成一矩形。

5.根據權利要求4所述的薄膜單軸雙向微拉伸裝置，其特征在于：所述的支架(1)上含有三個能使裝置總體處于水平的高度調節旋鈕(18)。

6.根據權利要求5所述的裝置，其特征在于：所述的鎖死結構(17)是一個位于力傳感臂(6)前端并壓住載物臺(7)的連有萬向球(16)一端的蓋板(19)，蓋板(19)壓在萬向球(16)上，一端和力傳感臂(6)通過銷釘(20)連接，另一端通過螺栓(21)與力傳感臂(6)固定。

7.根據權利要求6所述的薄膜單軸雙向微拉伸裝置，其特征在于：支架(1)呈U型，在兩支架壁(10)之間有用于保證支架(1)剛度的支撐桿(22)。

8.一種利用如權利要求1或3所述裝置測量薄膜變形的方法，其特征在于該方法按如下步驟進行：

1)選擇具有合適量程的力傳感臂(6)安裝到拉伸裝置上，置于高倍光學或原子力顯微鏡系統下，調節好左、右載物臺(7)的初始間距并使其處于同一水平面內，且拉伸方向與載物臺(7)軸線重合，然后將薄膜試件調節到其軸線與左、右載物臺(7)拉伸軸線重合并固定，連接好壓電陶瓷(8)的驅動系統、顯微圖像實時采集系統、應變片(5)的電橋應變測量系統。

2)通過壓電陶瓷(8)的驅動系統對壓電陶瓷(8)施加電壓，實現對薄膜試件進行連續加載，同時通過顯微圖像實時采集系統記錄薄膜檢測區域的序列變形圖像，并記錄在加載過程中的應變片(5)的輸出。

3)對得到的序列顯微圖像進行處理，提取薄膜材料表面的顯微結構特征信息以用于分析這些表面微觀結構特征的演化規律，同時對應變片(5)的應變輸出進行處理，得到薄膜材料加載過程中的有關力學特征及參數。