[發(fā)明專利]一種測(cè)量薄膜應(yīng)變與熱導(dǎo)率的裝置及方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710118131.3
• 申請(qǐng)日: 2017-03-01
• 公開（公告）號(hào): CN106813718B
• 公開（公告）日: 2019-04-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王海容;陳翰林;張咪;谷漢卿
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué);浙江西安交通大學(xué)研究院
• 主分類號(hào): G01D21/02
• 分類號(hào): G01D21/02
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司 61200
• 代理人: 姚詠華

本發(fā)明公開了一種測(cè)量薄膜應(yīng)變與熱導(dǎo)率的裝置及方法，裝置包括一個(gè)底座，一個(gè)設(shè)置在底座上的外殼，所述底座上設(shè)有加載端，薄膜試樣放置在加載端并與外殼上部的簡(jiǎn)支固定端相接，在加載端下方設(shè)有一個(gè)旋進(jìn)導(dǎo)桿，薄膜試樣通過(guò)濺射測(cè)試電極與電源相連。通過(guò)將圓形薄膜在其半徑處通過(guò)精密導(dǎo)桿控制進(jìn)給位移S，利用靜力學(xué)平衡和彈性薄板的撓度理論，可以得到中間圓板的撓度方程，當(dāng)半徑等于R₀時(shí)，二部分的撓度值相等，通過(guò)精密螺紋行程，可以得到半徑在R與R₀之間的圓板的即進(jìn)給位移S的大小，進(jìn)而計(jì)算出中間圓形薄膜周向應(yīng)變和徑向應(yīng)變值，采用3ω測(cè)量方法測(cè)量薄膜的熱導(dǎo)率，既實(shí)現(xiàn)了薄膜在不同應(yīng)變下的熱導(dǎo)率的測(cè)量。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及微機(jī)電系統(tǒng)MEMS器件裝置，特別是一種測(cè)量薄膜應(yīng)變與熱導(dǎo)率的裝置及方法。

背景技術(shù)

伴隨著微機(jī)電系統(tǒng)MEMS技術(shù)的快速發(fā)展，各類性能優(yōu)良的薄膜器件應(yīng)運(yùn)而生，其中，在熱場(chǎng)下工作的MEMS器件類型越來(lái)越多，用量也越來(lái)越大，例如微型紅外光源、微氣體傳感器、高溫MEMS壓力傳感器，工作溫度達(dá)數(shù)百甚至上千攝氏度，并存在交變溫度場(chǎng)，這對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)與材料服役的可靠性提出更高的要求。特別在傳感器領(lǐng)域，測(cè)量一些基本物理量時(shí)，器件難免會(huì)發(fā)生相應(yīng)的形變，產(chǎn)生應(yīng)變，薄膜的應(yīng)變反應(yīng)了薄膜的內(nèi)部狀態(tài)，是決定薄膜完整性的重要因數(shù)，也是決定器件能不能正常工作的重要因數(shù)之一，當(dāng)薄膜的應(yīng)變過(guò)大，可能會(huì)出現(xiàn)斷裂、塑形變形、脫落，使薄膜損傷，進(jìn)而使整個(gè)器件失去工作能力，針對(duì)半導(dǎo)體薄膜材料的研究表明，應(yīng)變對(duì)半導(dǎo)體納米材料的結(jié)構(gòu)及其性質(zhì)的調(diào)控作用起著至關(guān)重要的影響，例如半氟化的單層氮化鎵納米薄膜可以通過(guò)應(yīng)變來(lái)實(shí)現(xiàn)鐵磁化和反鐵磁化相互轉(zhuǎn)變，同時(shí)薄膜器件的熱導(dǎo)率直接影響器件散熱效率。

例如在專利(授權(quán)公告號(hào)CN 103822736 B)“一種確定周邊夾緊的圓薄膜集中力下薄膜應(yīng)變值的方法”(何曉婷、孫俊貽、鄭周練、蔡珍紅等)中，采用一個(gè)帶有無(wú)摩擦平底的圓柱作為加載軸，在圓薄膜的中心處施加一個(gè)橫向載荷，通過(guò)這種方法可以得到某點(diǎn)處的薄膜應(yīng)力值，不同的半徑對(duì)應(yīng)不同的應(yīng)力值，也就是不同的應(yīng)變，但是這種方法不同半徑處的應(yīng)變是不相等的，這不能滿足我們對(duì)應(yīng)變的需求；例如在專利(授權(quán)公告號(hào)CN 102001617B)“一種柔性電子器件位移加載裝置及方法”(馮雪、蔣東杰、王永)中，詳細(xì)的闡述了利用直流電源、支架、導(dǎo)軌、彈簧等來(lái)達(dá)到需要的薄膜的應(yīng)變的方法，通過(guò)控制直流電流的大小，間接得到應(yīng)變的大小，這種方法得到的應(yīng)變不是線性的，并且裝置復(fù)雜，依舊滿足不了需求。

因此研究薄膜器件中應(yīng)變與材料的熱導(dǎo)率的關(guān)系變得越來(lái)越突出，特別是薄膜材料的熱導(dǎo)率與應(yīng)變的關(guān)系，直接影響材料的使用性能，熱導(dǎo)率對(duì)MEMS器件有著極其重要的作用和潛在的應(yīng)用價(jià)值。這就需要在確定溫度下，研究材料應(yīng)變與熱導(dǎo)率的關(guān)系，材料的應(yīng)變必須滿足測(cè)量區(qū)域內(nèi)應(yīng)變是相等的要求。因此，研究一種周邊簡(jiǎn)支固定的圓形薄膜承受集中圓環(huán)載荷下薄膜應(yīng)變與薄膜熱導(dǎo)率的裝置，使得其簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，并且理論方法成熟可靠成為目前本領(lǐng)域亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種周邊簡(jiǎn)支固定的圓形薄膜承受集中圓環(huán)載荷下薄膜應(yīng)變與薄膜熱導(dǎo)率的裝置。

本發(fā)明是通過(guò)下述技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

一種測(cè)量薄膜應(yīng)變與熱導(dǎo)率的裝置，包括一個(gè)底座，一個(gè)設(shè)置在底座上的外殼，所述底座上設(shè)有加載端，鍍有薄膜的基底放置在加載端并與外殼上部的簡(jiǎn)支固定端相接，在加載端下方設(shè)有一個(gè)精密導(dǎo)桿，鍍有薄膜的基底上濺射有測(cè)試電極和一根金屬條，測(cè)試電極與外部具有鎖相放大模塊的檢測(cè)系統(tǒng)相連，并連接至計(jì)算機(jī)；

通過(guò)精密導(dǎo)桿的旋進(jìn)位移S使得鍍有薄膜的基底上的薄膜產(chǎn)生應(yīng)變，通過(guò)控制進(jìn)給位移S來(lái)控制薄膜應(yīng)變的大小，通過(guò)向測(cè)試電極通入周期性電流I_ω，計(jì)算機(jī)讀取從測(cè)試電極采集的3ω諧波的成分U_3ω的大小得到薄膜的熱導(dǎo)率。