[發明專利]一種基于MEMS工藝薄膜應變熱導率測試裝置及方法

有效

• 申請號: 201810317787.2
• 申請日: 2018-04-10
• 公開（公告）號: CN108844990B
• 公開（公告）日: 2020-05-22
• 發明（設計）人: 王海容;谷漢卿;陳翰林;王久洪
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G01N25/20
• 分類號: G01N25/20
• 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

本發明公開了一種基于MEMS工藝薄膜應變熱導率測試裝置及方法，包括在外屏蔽罩下方設有的加熱臺，在外屏蔽罩內設有載物臺，在載物臺上設有壓電測試裝置，在壓電測試裝置上放置有測試片；在外屏蔽罩內壁設有溫度傳感器和通氣孔；通過壓電測試裝置的壓電驅動部件施加位移，壓電測試裝置的帶動連接片，將位移施加到測試片使得鍍有薄膜的測試片上的薄膜產生應變，應變大小為施加位移與應變片的設計大小比值確定。通過控制進給位移來控制薄膜應變的大小，通過向測試電極通入交流電流，通過讀取從測試電極采集的3ω諧波的成分的大小并進過推導公式計算得到待測薄膜的熱導率。此方法簡單，完全滿足測量薄膜不同應變下不同溫度下的熱導率的要求。

技術領域

本發明涉及微機電系統(MEMS)裝置，特別是一種納米薄膜應變與溫度場情況下的熱導率的測量裝置及方法。

背景技術

隨著微加工技術的不斷發展與推進，作為儀器設備微型化的一個重要發展領域，MEMS器件受到越來越多的關注。當器件/材料的尺度微細化之后，由于量子效應、尺寸效應以及表面與界面效應，其許多物理規律與其在常規尺度下相比會有所變化，即出現了微尺度效應。如廣泛應用MEMS器件中的各種薄膜材料，由于工藝、微結構、邊界效應及缺陷等因素，其物理特性往往異于體材料，表現出明顯的微尺度效應。而薄膜的工作場景往往處于溫度場，電場，力場等多場耦合，其相應的耦合參數對薄膜材料的應用至關重要。直接的體現是按照一般規律設計的薄膜結構在多場耦合下，薄膜容易出現斷裂、塑形變形、脫落等損傷使得整個器件失效，因此，對薄膜材料特性熱-機械特性(尤其是在熱管理設計中最重要的參數：熱導率)，了解的越準確，就越有利于科學指導工程設計，并提高其穩定性和可靠性，對微電子器件的研究和發展具有深遠的意義。

例如在本課題組申請的專利(公開號CN106813718A)“一種測量薄膜應變與熱導率的裝置及方法”(王海容，陳翰林，張咪，谷漢卿)中，公開了一種周邊簡支固定的圓形薄膜承受集中圓環載荷下薄膜應變與薄膜熱導率的裝置，將圓盤的應變經計算等效為圓盤上薄膜的薄膜應變，不過圓盤正面為拉伸應變，反面為壓縮應變，這種加載方式是否會有干擾有待考驗。例如在專利(公開號CN102053100A)“熱電材料參數自動測定儀”(林國淙，劉暉，丁喜冬，張進修)中，發明了一個儀器可在-30°到800°的溫度范圍內，自動測量熱電材料在各溫度點的電導率、塞貝克(Seebeck)系數及熱導率，從而得到熱電材料品質因子ZT，但是此類系統搭建復雜昂貴，沒有涉及到力熱耦合參數測量，依舊滿足不了需求。

例如文獻Mechanical Strain Dependence of Thermal Transport inAmorphous Silicon Thin Films(NanoscaleMicroscale Thermophysical Engineering,2015)提出了基于MEMS的納米結構拉伸裝置，通過理論推導得出熱導率，但是并沒有考慮不同溫度下的熱導率測量。

因此研究薄膜器件中應變與材料的熱導率的關系變得越來越突出，此類熱物性參數對MEMS器件有著極其重要的作用和潛在的應用價值。這就需要在確定溫度下(或變溫情況下)，研究材料應變與熱導率的關系。因此，基于MEMS工藝制備一種平面應變加載和熱導率測試裝置，使原理簡單并易于實現，并且測試方法成熟可靠成為目前本領域亟待解決的技術問題。

發明內容

為解決現有技術中存在的上述缺陷，本發明的目的在于提供一種基于簡單易行的MEMS工藝制備平面應變加載和熱導率測試裝置。

本發明是通過下述技術方案來實現的。

一種基于MEMS工藝薄膜應變熱導率測試裝置，包括一個外屏蔽罩，在外屏蔽罩下方設有加熱臺，在外屏蔽罩內設有載物臺，在載物臺上設有壓電測試裝置，在壓電測試裝置上放置有測試片；在外屏蔽罩內壁設有溫度傳感器和通氣孔；

所述壓電測試裝置包括依次連接的金屬連接塊、壓電驅動部件和連接片；制備有待測薄膜的測試片連接在金屬連接塊和連接片上，待測薄膜上的測試電極與檢測系統和計算機相連；