[發(fā)明專利]一種薄膜力學性能實時測試裝置

在審

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• 申請日: 2017-07-12
• 公開（公告）號: CN107389459A
• 公開（公告）日: 2017-11-24
• 發(fā)明（設計）人: 馬樹軍;李忠明;楊磊
• 申請（專利權(quán)）人: 東北大學
• 主分類號: G01N3/12
• 分類號: G01N3/12;G01N3/06
• 代理公司: 沈陽優(yōu)普達知識產(chǎn)權(quán)代理事務所(特殊普通合伙)21234
• 代理人: 俞魯江

技術(shù)領域

本發(fā)明結(jié)合光測技術(shù)和鼓膜法原理，提出一種薄膜力學性能實時測試裝置，屬于光測力學、材料力學性能測試技術(shù)領域。

背景技術(shù)

薄膜是一種具有優(yōu)良力、光、熱、電性能的半導體材料，為微納機電系統(tǒng)器件的集成化和微型化創(chuàng)造了條件。常被用作發(fā)光二極管、場效應晶體管、保護層、太陽能電池等場合。線性一維和平面二維懸空薄膜結(jié)構(gòu)，是微納機電系統(tǒng)的重要組成部分，檢測和改善薄膜材料的彈性模量和殘余應力等力學性能，是提高薄膜器件穩(wěn)定性與可靠性的關鍵。

薄膜力學性能的測試方法主要有拉伸法、納米壓痕法、鼓膜法等，其中拉伸法的缺點是難以克服夾持端的影響，薄膜在安裝過程中易損壞；納米壓痕法難以克服基底對薄膜力學性能的影響，很難得到準確的測試結(jié)果；鼓膜法原理簡單，測量精度高，克服了以上兩種方法的缺點，且可以同時進行多參數(shù)測量，包括薄膜的彈性模量和殘余應力等。

中國專利CN106198206A提出利用數(shù)字散斑相關法進行薄膜力學性能測量，測試時，需要對散斑圖進行圖像處理，操作復雜且有延遲，得到的撓度值與壓力值對應關系不好；撓度值是由面內(nèi)位移根據(jù)投影角度換算得到，測試時角度值難以精確控制；為了得到較好的散斑圖，需要在薄膜表面進行噴漆處理，薄膜厚度在微米級甚至更小，涂層有可能薄膜本身的性能，上面所述的問題，此裝置的測試結(jié)果準確性難以保證。

Negger等人2014年在Experimental Mechanics期刊上提出了一種微尺度的鼓膜試驗方案，利用共聚焦光學顯微鏡結(jié)合數(shù)字圖像相關法對薄膜的三維變形進行測量，存在的不足是薄膜采用微加工工藝制備，過程復雜。Berdova等人2014年在Acta Materialia期刊上提出一種頂桿式鼓膜試驗方法測量納米氧化鋁薄膜的力學性能，該方法存在薄膜制備過程復雜和適用范圍小的缺點。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種薄膜力學性能實時測試裝置。

為實現(xiàn)本發(fā)明目的采用的技術(shù)方案是：

本發(fā)明的優(yōu)點是：

針對薄膜力學性能測試裝置的現(xiàn)狀，我們利用光測技術(shù)和鼓膜法原理，提出了一種薄膜力學性能實時測試裝置。本裝置適用于表面有一定反光度的彈塑性薄膜。本測試裝置壓力加載部分易于控制且密封性好，撓度測量部分測量精度高，數(shù)據(jù)采集與處理準確且實時性好。測試時無需對薄膜表面進行處理，測試結(jié)果更準確；應用步進電機與氣缸進行壓力加載，加壓過程平穩(wěn)、易于控制且密封性好；測試裝置中多處設有多軸手動微調(diào)裝置，便于快速做好測試前調(diào)整；測試裝置應用邁克爾遜激光干涉原理進行撓度測量，測量精度比較高，可以測量納米級別的撓度；采用加工有三個接口的亞克玻璃方塊為壓力腔，平穩(wěn)加壓并能準確實時的檢測壓力值；采用法蘭盤、試件臺、橡膠墊圈相配合夾持薄膜，密封性好且對測試結(jié)果準確性影響比較小；使用硅光電池串聯(lián)電阻來進行干涉條紋信息提取，準確且實時性好；使用可編程器(FPGA)對反映壓力的電壓值和硅光電池的電壓信號同時進行實時采集，壓力與撓度值的對應程度高，測試結(jié)果更準確。可編程器(FPGA)控制步進電機驅(qū)動器并與上位機進行通信，測試裝置操控方便，采集到的實驗數(shù)據(jù)無需進行復雜的處理，便可計算出薄膜力學性能參數(shù)數(shù)值。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的整體方案示意圖。

圖2為壓力腔和薄膜夾持結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為鼓膜法原理示意圖。

圖4為硅光電池連接示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖1-4進一步說明本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)及實施方式：

一種薄膜力學性能實時測試裝置，包括壓力加載部分、激光撓度測量部分、薄膜夾持結(jié)構(gòu)；

壓力加載部分包括步進電機1、滑臺3、氣缸2、加壓氣管4、壓力腔7；

步進電機1與步進電機驅(qū)動器5連接；

步進電機1輸出端的滾珠絲杠固定在支座上，將滑臺3貫穿在滾珠絲杠上，滑臺3與氣缸2活塞桿固定連接，氣缸2固定在支座上，氣缸2輸出端通過加壓氣管4與壓力腔7連接；

壓力腔7由亞克力水晶方塊制成，內(nèi)部加工有第一接口22、第二接口23和第三接口24，第一接口22連接有薄膜夾持結(jié)構(gòu)9，第二接口23連接有加壓氣管4，第三接口24連接有壓力傳感器6，其中壓力傳感器6和薄膜夾持結(jié)構(gòu)9對稱布置。

激光撓度測量部分包括激光器10、擴束鏡11、分光棱鏡12、參考平面鏡16、成像光屏15、硅光電池14；

分光棱鏡12第一側(cè)面與薄膜夾持結(jié)構(gòu)9對應布置，分光棱鏡12 另第二側(cè)面外布置有硅光電池14和成像光屏15；