[發(fā)明專利]薄膜材料微拉伸測試系統(tǒng)

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200810034285.5
• 申請日: 2008-03-06
• 公開（公告）號(hào): CN101241057A
• 公開（公告）日: 2008-08-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 丁桂甫;劉瑞;李雪萍;汪紅;楊春生
• 申請（專利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N3/00
• 分類號(hào): G01N3/00
• 代理公司: 上海交達(dá)專利事務(wù)所
• 代理人: 王錫麟;王桂忠

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種薄膜材料技術(shù)領(lǐng)域的測試系統(tǒng)，更具體地說，涉及一種薄膜材料微拉伸測試系統(tǒng)。

背景技術(shù)

隨著微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的迅速發(fā)展，各種薄膜材料廣泛應(yīng)用在各種微器件中。這些薄膜材料的力學(xué)性能對MEMS器件的可靠性設(shè)計(jì)非常重要，在微米/納米尺度時(shí)，由于表面效應(yīng)、組織結(jié)構(gòu)和加工過程的影響，材料的力學(xué)性能與塊體材料相比有很大不同，所以測試微米尺度薄膜材料的力學(xué)性能非常重要。單軸拉伸試驗(yàn)是測量材料彈性模量、泊松比、屈服強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度等參數(shù)最直接的方法，但是由于薄膜試樣尺寸較小，傳統(tǒng)的單軸拉伸測試設(shè)備在許多方面不能滿足要求，這就需要設(shè)計(jì)出可靠準(zhǔn)確的單軸拉伸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，Ming等在《Microsystem?technology》(《微系統(tǒng)技術(shù)》，2006年1期123-128頁)發(fā)表了題為“Design?and?development?ofsub-micron?specimens?with?electroplated?structures?for?the?microtensiletesting?of?thin?films”(“電鍍方法制備微拉伸薄膜試樣”)的論文，提出對金屬薄膜進(jìn)行單軸拉伸實(shí)驗(yàn)的方法。其特點(diǎn)是在硅基片上沉積薄膜，然后從背面用化學(xué)方法刻蝕硅，形成兩端固定剛性支撐梁結(jié)構(gòu)。在所測試樣兩端有位移傳感器對拉伸過程中的位移變量進(jìn)行測定。此種方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠進(jìn)行單軸拉伸，可以直接測出應(yīng)力應(yīng)變的關(guān)系，而且可以測量多種材料和多層復(fù)合薄膜；其缺點(diǎn)是由于支撐梁剛度較大，不適宜測量變形量較大的材料，剛性梁在拉伸過程中容易發(fā)生塑性變形造成誤差。而且其試樣制備較為復(fù)雜，不易操作。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有薄膜力學(xué)測試系統(tǒng)的不足，提供一種薄膜材料微拉伸測試系統(tǒng)，使其能夠進(jìn)行準(zhǔn)確、簡便的薄膜力學(xué)性能測試。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明包括樣品臺(tái)、樣品結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和測量觀察裝置。樣品結(jié)構(gòu)被固定在樣品臺(tái)上，右端與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)相連，測量觀察裝置一部分置于樣品結(jié)構(gòu)的上方。

所述的樣品臺(tái)包括XYZθ移動(dòng)平臺(tái)、真空吸附臺(tái)和金屬底座，真空吸附臺(tái)固定于XYZθ移動(dòng)平臺(tái)上方，金屬底座吸附在真空吸附臺(tái)上面。

所述XYZθ移動(dòng)平臺(tái)是通過轉(zhuǎn)動(dòng)其上的螺旋手柄，控制平臺(tái)的可動(dòng)部分，來實(shí)現(xiàn)位移的調(diào)節(jié)。XYZθ移動(dòng)平臺(tái)有四個(gè)螺旋手柄，其中三個(gè)可以調(diào)節(jié)X、Y和Z三個(gè)方向的位移，一個(gè)可以調(diào)節(jié)XY平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)角度。X、Y和Z分別代表三維空間的三個(gè)方向，θ代表同一平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)的角度。

所述的樣品結(jié)構(gòu)包括支撐架、薄膜試樣、標(biāo)桿、支撐彈簧和移動(dòng)平臺(tái)。樣品放置于真空吸附臺(tái)上面。樣品中的移動(dòng)平臺(tái)通過支撐彈簧和支撐架連接。薄膜試樣的一端與支撐架固定，另一端與移動(dòng)平臺(tái)相連接。標(biāo)桿固定在移動(dòng)平臺(tái)上面。

所述樣品結(jié)構(gòu)中的支撐架，其中間為鏤空的矩形結(jié)構(gòu)，上端是多匝彈簧連接的鏤空矩形結(jié)構(gòu)。

所述樣品結(jié)構(gòu)中的標(biāo)桿粘接在移動(dòng)平臺(tái)靠近薄膜試樣的一端。

所述樣品結(jié)構(gòu)中的支撐彈簧為蛇形支撐彈簧，蛇形支撐彈簧的一端與樣品結(jié)構(gòu)中的支撐架相連，另一端與樣品結(jié)構(gòu)中的移動(dòng)平臺(tái)相連。

所述的樣品結(jié)構(gòu)中的移動(dòng)平臺(tái)包括金屬Ni層和單晶硅層，下層為刻蝕后的單晶硅層，上層為電鍍的金屬Ni層，移動(dòng)平臺(tái)通過蛇形支撐彈簧與樣品結(jié)構(gòu)中的支撐架相連。

所述的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括力學(xué)傳感器、拉伸桿、電磁驅(qū)動(dòng)馬達(dá)和XYZ移動(dòng)平臺(tái)。XYZ移動(dòng)平臺(tái)固定在防振臺(tái)上，電磁驅(qū)動(dòng)馬達(dá)和XYZ移動(dòng)平臺(tái)固定，拉伸桿固定在電磁驅(qū)動(dòng)馬達(dá)上面，其前端與力學(xué)傳感器固定。力學(xué)傳感器的前端與移動(dòng)平臺(tái)通過插銷固定在一起。通過控制電磁驅(qū)動(dòng)馬達(dá)向右移動(dòng)來施加拉力，通過拉伸桿和力學(xué)傳感器拉伸移動(dòng)平臺(tái)。XYZ移動(dòng)平臺(tái)是通過轉(zhuǎn)動(dòng)其上的螺旋手柄，控制平臺(tái)的可動(dòng)部分，來實(shí)現(xiàn)位移的調(diào)節(jié)。本系統(tǒng)中的XYZ移動(dòng)平臺(tái)有三個(gè)螺旋手柄，其可以調(diào)節(jié)X、Y和Z三個(gè)方向的位移。X、Y和Z分別代表三維空間的三個(gè)方向。

所述的力學(xué)傳感器由UV-LIGA技術(shù)制備，前端為鴨嘴形結(jié)構(gòu)，后端為兩個(gè)并聯(lián)多匝蛇形彈簧組成，單匝線寬為200微米，厚度為1毫米，單匝半圓內(nèi)徑為300微米，連接兩半圓間的線條長為1.2毫米。并聯(lián)的蛇形彈簧保證在拉伸過程中其形變在同一平面內(nèi)，而且蛇形彈簧結(jié)構(gòu)彈性變形范圍比較大，在拉伸過程中能夠避免塑性變形，減少實(shí)驗(yàn)誤差。

所述的拉伸桿是由精密機(jī)械加工形成的，為階梯型結(jié)構(gòu)，厚度為5毫米，寬度從后到前依次為40毫米、20毫米和6毫米。前端與力學(xué)傳感器相連接，后端與電磁驅(qū)動(dòng)馬達(dá)相連。