[發明專利]薄膜材料動態彎曲疲勞性能測試系統及測試方法

無效

• 申請號: 200810011238.9
• 申請日: 2008-04-30
• 公開（公告）號: CN101571467A
• 公開（公告）日: 2009-11-04
• 發明（設計）人: 張廣平;朱曉飛;張濱
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: G01N3/38
• 分類號: G01N3/38
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司
• 代理人: 張志偉

技術領域

本發明涉及對小尺度薄膜材料動態彎曲疲勞性能測試系統的建立和測 試方法，具體為對各種微/納電子機械系統(MEMS/NEMS)用有基體支持 或無基體支持的薄膜材料、集成電路用金屬化互連體箔材料以及各種二維 薄板類材料進行動態彎曲疲勞性能測試系統的搭建和疲勞性能的測試與評 價。

背景技術

隨著微電子器件小型化的進一步發展，具有微米或納米厚度的有/無基 體支持的各類單層或多層薄膜材料廣泛應用于大規模集成電路互連體布 線、磁性存貯介質以及MEMS/NEMS用器件等領域。這些器件中所用的薄 膜材料在實際工作中經常受到周期性循環載荷的作用而發生疲勞失效，從 而影響器件的使用壽命及服役可靠性。例如，在微型射頻開關中，具有微 米厚度的懸臂梁器件經常受到高頻諧振的作用而引起疲勞損傷，微構件中 損傷的出現會逐漸改變其響應頻率及電阻值等物理參量，從而影響了微傳 感器及制動器的輸出量，甚至導致器件最終失效。因此，測試薄膜類材料 在循環載荷、尤其是在動態彎曲疲勞載荷作用下的疲勞性能，揭示其疲勞 損傷機制，對薄膜材料器件的使用壽命進行正確評價具有非常重要的理論 研究意義和實際應用價值。

然而，當薄膜材料的厚度小到微米甚至納米尺度時，適用于常規塊體 材料的諸多力學性能測試系統和測試方法已經無法滿足這類小尺度材料性 能測試的要求，如施加載荷精度不夠、試樣夾持方法不當等等。國內外相 關領域的學者嘗試設計和采用了各種精巧的實驗手段對各類薄膜材料進行 力學性能測試和評價，例如采用納米壓痕儀對懸臂梁試樣進行動態彎曲實 驗，但由于試樣制備方法復雜、造價昂貴、測試效率較低且對被測薄膜材 料體系有特殊要求而無法被廣泛采用。因此，開發新的、適用于薄膜與小 尺度材料的疲勞實驗系統及性能測試方法至關重要。

發明內容

本發明的目的在于提供一種小尺度薄膜材料動態彎曲疲勞性能測試系 統和測試方法。該系統具有測試精度高、對樣品制備要求相對較低、可以 對試樣施加疲勞載荷類型變化多樣、加載頻域寬、可以對懸臂梁試樣自由 端的位移進行連續實時監測等優點。

本發明的技術方案是：

一種小尺度薄膜材料動態彎曲疲勞性能測試系統和測試方法，該測試 系統由三部分組成：

(1)電磁驅動部分。由電源、永久磁鐵、支撐彈簧、線圈和驅動桿組 成。電源與線圈電連接，線圈內側設置永久磁鐵，電源產生的交流信號通 入線圈，線圈在永久磁鐵所產生的磁場中受到周期性的循環作用力，支撐 彈簧的一端固定在基架上，另一端與線圈相連，線圈在循環力的作用下拉、 壓支撐彈簧，同時帶動與線圈相連的驅動桿做往復運動，從而對一端固定、 另一端搭載到驅動桿上的懸臂梁試樣施加循環彎曲疲勞載荷，驅動桿的上 端預先加工成能夠適應不同種類薄膜試樣尺寸的凹槽；

(2)試樣夾持部分。由基架和夾持在其上可自由調節的夾具組成，試 樣的一端通過夾具固定在基架上，試樣呈懸臂梁狀態，其自由端卡入預先 加工好的驅動桿上不同規格尺寸的凹槽中；

(3)測量與觀察部分。由計算機、與之相連的激光位移傳感器和光學 顯微鏡組成，激光位移傳感器對試樣自由端的位移進行實時監測，并將信 號傳遞給計算機進行記錄，與計算機相連的光學顯微鏡對試樣表面形貌進 行實時觀察與攝錄像。

本發明薄膜材料的動態彎曲疲勞性能測試方法，利用上述測試系統， 具體測試步驟如下：(1)調節可動夾具的夾頭高度，使其與符合樣品尺寸 要求的驅動桿上凹槽在同一水平高度；(2)將試樣一端固定在夾具上，另 一端卡入驅動桿相應的凹槽中；(3)將電源產生的交流信號輸入線圈；(4) 利用通交流電的線圈在永久磁鐵產生的磁場中受到周期性往復作用力來帶 動懸臂梁試樣自由端振動，從而測試試樣的疲勞性能。(5)激光位移傳感 器對試樣自由端位移進行實時監測，光學顯微鏡對試樣在疲勞載荷作用下 的表面形貌變化進行實時觀察與攝錄像，采集到的位移與圖像信息由計算 機進行存儲。

本發明所測試的薄膜材料為通過各種目前已知方法制備的有基體支持 或無基體支持的單層或多層薄膜、箔類、二維薄板類材料等。

本發明對薄膜材料所施加的載荷頻率為0.01Hz～1000Hz。

本發明所述的小尺度薄膜材料是指各種在厚度方向上具有微米、亞微 米以及納米尺度的無基體支持或有基體支持的薄膜、箔類以及各種薄板類 材料。

本發明的特點在于：