[發明專利]一種測量薄膜應變與熱導率的裝置及方法

有效

• 申請號: 201710118131.3
• 申請日: 2017-03-01
• 公開（公告）號: CN106813718B
• 公開（公告）日: 2019-04-12
• 發明（設計）人: 王海容;陳翰林;張咪;谷漢卿
• 申請（專利權）人: 西安交通大學;浙江西安交通大學研究院
• 主分類號: G01D21/02
• 分類號: G01D21/02
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 姚詠華

1.一種測量薄膜應變與熱導率的裝置，其特征在于，包括一個底座(3)，一個設置在底座(3)上的外殼(2)，所述底座(3)上設有加載端(6)，鍍有薄膜的基底(5)放置在加載端(6)并與外殼(2)上部的簡支固定端(4)相接，在加載端(6)下方設有一個精密導桿(7)，鍍有薄膜的基底(5)上濺射有測試電極和一根金屬條，測試電極與外部具有鎖相放大模塊的檢測系統相連，并連接至計算機；

通過精密導桿(7)的旋進位移S使得鍍有薄膜的基底(5)上的薄膜產生應變，通過控制進給位移S來控制薄膜應變的大小，通過向測試電極通入周期性電流I_ω，計算機讀取從測試電極采集的3ω諧波的成分U_3ω的大小得到薄膜的熱導率；

所述外殼(2)為帶有圓孔的扣蓋狀，簡支固定端(4)在圓孔內沿底部呈凸起狀；所述加載端為圓盤狀，在盤面頂部周邊設有呈凸起的加載圓環半球(1)。

2.如權利要求1所述的一種測量薄膜應變與熱導率的裝置，其特征在于，所述加載圓環半球(1)與鍍有薄膜的基底(5)接觸為線接觸，且接觸面在同一個水平面內。

3.如權利要求1所述的一種測量薄膜應變與熱導率的裝置，其特征在于，所述薄膜表面按照3ω測薄膜導熱率方法濺射四個焊盤，采用MEMS工藝將一根幾何尺度為微米級的金屬條制作在薄膜表面，四個焊盤連接金屬條，所述焊盤包括兩個電流焊盤和兩個電壓焊盤作為測試電極，其形狀為兩對電流正負極端子和電壓正負極端子按照π形分布在金屬條端部。

4.如權利要求1所述的一種測量薄膜應變與熱導率的裝置，其特征在于，所述加載端(6)的最大壓入深度與薄膜的厚度相同。

5.如權利要求4所述的一種測量薄膜應變與熱導率的裝置，其特征在于，精密導桿(7)的螺距精確度與鍍有的薄膜厚度的比值不大于10^-2。

6.一種利用如權利要求1所述裝置測量薄膜應變與熱導率的方法，其特征在于，包括下述步驟：

1)在半徑是R的圓形基底上均勻的沉積一層厚度是t、楊氏模量E、泊松比為μ的待測薄膜；

2)在小于半徑R₀的鍍有薄膜的基底表面濺射測試電極，同時采用MEMS工藝將一根幾何尺度為微米級的金屬條制作在薄膜表面，其中，R₀＜R，R₀為加載端上的加載圓環半球到加載端圓心的距離；

3)通過精密導桿施加一個位移S，對應到加載端的加載圓環半球與簡支固定端在薄膜上產生一個相應的周向應變ε_θ，即為待測材料的應變；

4)將步驟2)已經制備好的基底放在裝置加載端的加載圓環半球表面，對測試電極的兩個電流焊盤通入周期性電流I_ω，將電壓測試電極接到外部具有鎖相放大模塊的檢測電路中，利用計算機直接讀取采集的數據，待數據穩定后，記錄此時3ω諧波的成分U_3ω的大小；

5)通過控制進給位移S，來控制應變的大小，以應變為自變量，通過計算機讀取的3ω諧波的成分U_3ω的大小得到薄膜的熱導率k。

7.根據權利要求6所述的測量薄膜應變與熱導率的方法，其特征在于，所述得到應變與位移S有如下的關系：

式中t是薄膜的厚度、μ為泊松比，R₀為加載端上的加載圓環半球到加載端圓心的距離，R為加載圓環半球與基底接觸輪廓的半徑，S為精密導桿的位移。

8.根據權利要求6所述的測量薄膜應變與熱導率的方法，其特征在于，所述薄膜的熱導率k與諧波的成分U_3ω通過下式得到：

式中，k為熱導率，P/l分別表示金屬條加熱膜單位長度的加熱功率，ΔT表示溫度波動，U₀表示基波電壓，R’₀為金屬條初始電阻值，dR’/dT表示電阻隨溫度的變化率，U_3ω表示含有3ω諧波的電壓。