[發(fā)明專利]一種多功能薄膜力學(xué)性能檢測(cè)裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201010116899.5
• 申請(qǐng)日: 2010-01-29
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101788427A
• 公開(kāi)（公告）日: 2010-07-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周益春;王子菡
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 湘潭大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N3/12
• 分類號(hào): G01N3/12;G01N3/06;G01B11/16
• 代理公司: 長(zhǎng)沙市融智專利事務(wù)所 43114
• 代理人: 顏勇

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光測(cè)力學(xué)和材料性能檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特指一種基于數(shù)字散斑相關(guān)法測(cè)量 變形的多功能薄膜力學(xué)性能檢測(cè)裝置。

背景技術(shù)

薄膜科學(xué)與技術(shù)是微電子、信息、傳感器、光學(xué)、太陽(yáng)能利用等技術(shù)的基礎(chǔ)，它 已廣泛地滲透到當(dāng)代科技的各個(gè)領(lǐng)域。為了適應(yīng)高強(qiáng)度、耐磨、耐高溫、耐腐蝕等不同 工業(yè)應(yīng)用要求，通常采用表面鍍膜等各種表面處理技術(shù)對(duì)材料表面進(jìn)行加工，使其適用 各種復(fù)雜的工作環(huán)境。薄膜技術(shù)也是微電子器件和微電光器件的基礎(chǔ)，近來(lái)薄膜技術(shù)更 促進(jìn)了微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)的興起和發(fā)展。

隨著薄膜科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們已意識(shí)到薄膜材料的力學(xué)性能研究對(duì)于薄膜材料的 生產(chǎn)和正常使用具有非常重要的意義。薄膜的力學(xué)性能主要涉及到薄膜的彈性模量、屈 服強(qiáng)度、殘余應(yīng)力和界面結(jié)合強(qiáng)度等。薄膜的彈性模量不僅在薄膜器件的設(shè)計(jì)中會(huì)用到， 而且也是屈服強(qiáng)度、斷裂韌性和殘余應(yīng)力測(cè)量與評(píng)定的基礎(chǔ)；薄膜在制備過(guò)程中由于薄 膜與基體的熱脹系數(shù)和物理特性的不同而引起的膜內(nèi)殘余應(yīng)力，并可能導(dǎo)致薄膜的起 皺、開(kāi)裂，甚至膜基分離；膜基界面結(jié)合性能是決定薄膜元器件使用壽命的重要因素。 因此，薄膜的力學(xué)性能是薄膜器件設(shè)計(jì)的依據(jù)，是當(dāng)今薄膜研究的重要課題之一。

由于薄膜材料的力學(xué)性能與具有相同化學(xué)成分的大體積材料的力學(xué)性能有較大差 異，各種傳統(tǒng)的力學(xué)性能測(cè)試技術(shù)與裝置也不能直接用于薄膜材料的測(cè)試，如何正確評(píng) 價(jià)和表征薄膜的力學(xué)性能是一個(gè)有待進(jìn)一步研究的熱門話題。

目前人們提出的薄膜力學(xué)測(cè)試技術(shù)主要有壓痕法、單軸拉伸法、移層法和鼓泡法等。

壓痕法是把壓頭壓入材料中，通過(guò)連續(xù)記錄加載與卸載期間載荷與壓入深度的變 化，結(jié)合相應(yīng)的理論模型得到力學(xué)性能，是目前在薄膜力學(xué)性能測(cè)試技術(shù)中較為廣泛應(yīng) 用的一種測(cè)試技術(shù)。壓痕法能測(cè)量薄膜的彈性模量、硬度以及薄膜的蠕變行為等。

單軸拉伸法的測(cè)量原理與傳統(tǒng)的塊狀材料的單軸拉伸法相似，可以直接獲得薄膜的 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。

移層法作為一種新興起的殘余應(yīng)力的表征手段，是利用部分破壞的方法，將薄膜內(nèi) 部存在的殘余應(yīng)力釋放出來(lái)，再通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到薄膜破壞前后的曲率變化，代入模型 中計(jì)算得到殘余應(yīng)力值。

鼓泡法是通過(guò)對(duì)薄膜試樣加壓，試樣在壓力的作用下發(fā)生變形，根據(jù)壓力和對(duì)應(yīng)的 中心點(diǎn)高度可以得到殘余應(yīng)力、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，當(dāng)壓力增大到使薄膜從基底剝離時(shí)，所 消耗的能量都用在了界面分離上，可以使與結(jié)合性能無(wú)關(guān)的能量損耗降到最低，從而準(zhǔn) 確表征膜基體系的界面結(jié)合性能。

在這些已有的測(cè)試方法中，移層法由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工制造方法容易，并且建模方 法相對(duì)比較成熟，是常用的殘余應(yīng)力測(cè)試技術(shù)之一；鼓泡法物理思想簡(jiǎn)單，是一種既能 確定薄膜的彈性模量、殘余應(yīng)力、同時(shí)又能確定界面結(jié)合能的重要實(shí)驗(yàn)方法，因而得到 了廣泛的應(yīng)用。

在應(yīng)用鼓泡法進(jìn)行測(cè)量時(shí)，加載裝置的設(shè)計(jì)和薄膜的變形測(cè)量是非常重要的因素， 加載方式和載荷大小影響適用范圍，而如果薄膜變形測(cè)量不準(zhǔn)確，得到的力學(xué)參數(shù)相應(yīng) 也就不可信。目前國(guó)內(nèi)外已公開(kāi)的基于鼓泡法的測(cè)試技術(shù)和裝置有：

中國(guó)專利CN1540309A、CN1540310A公開(kāi)了一種用內(nèi)漲鼓泡法檢測(cè)金剛石涂層附 著強(qiáng)度的測(cè)試技術(shù)和測(cè)量裝置，測(cè)量裝置主要包括測(cè)量基座，He-Ne激光干涉測(cè)量系統(tǒng)， 壓力進(jìn)給系統(tǒng)和壓力測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量基座用立方體有機(jī)玻璃塊制成，采用“嵌入式”連 接壓力測(cè)量系統(tǒng)，采用OFV-3000光纖激光振動(dòng)儀作為He-Ne激光干涉測(cè)量系統(tǒng)，采用 注射泵作為壓力進(jìn)給系統(tǒng)加壓機(jī)構(gòu)，采用卸荷閥對(duì)系統(tǒng)壓力進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)帕斯卡定律 及板殼理論推導(dǎo)出內(nèi)漲鼓泡法測(cè)量涂層附著強(qiáng)度的理論模型，由此測(cè)定金剛石涂層的附 著強(qiáng)度，這種測(cè)量方法不受基體形狀及附著強(qiáng)度大小的限制，可以方便地用于復(fù)雜形狀 基體金剛石涂層的附著強(qiáng)度測(cè)量。但裝置的不足之處在于1.由于裝置采用有機(jī)玻璃作為 測(cè)量基座，而且樣品是通過(guò)環(huán)氧樹脂粘接在樣品支架上，可承受壓力非常有限；2.薄 膜變形撓度測(cè)量采用的是He-Ne激光干涉測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量精度高，但對(duì)于環(huán)境的要求 十分苛刻，測(cè)量時(shí)微弱的噪聲和振動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果有非常大的影響。