[發明專利]力熱耦合微機電系統、原位力學平臺及制造方法

在審

• 申請號: 202010028237.6
• 申請日: 2020-01-10
• 公開（公告）號: CN111017866A
• 公開（公告）日: 2020-04-17
• 發明（設計）人: 韓曉東;栗曉辰;毛圣成;馬東鋒;張劍飛;李雪嶠;李志鵬;翟亞迪;張晴;楊曉萌;張家寶;王夢龍;張澤
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: B81B7/02
• 分類號: B81B7/02;B81C1/00
• 代理公司: 北京路浩知識產權代理有限公司 11002
• 代理人: 吳歡燕

本發明涉及高溫微納實驗力學裝置技術領域，公開了一種力熱耦合微機電系統、原位力學平臺及制造方法，其中力熱耦合微機電系統包括基體、T形加熱端、C形加熱端、內部溫度約束結構和驅動端溫度約束結構，T形加熱端的橫桿部間隔地嵌套于C形加熱端中，以形成樣品搭載區；縱桿部伸出C形加熱端的開口側并連接于內部溫度約束結構，內部溫度約束結構安裝于凹槽的槽底；C形加熱端連接于驅動端溫度約束結構，驅動端溫度約束結構安裝于凹槽的槽口。該力熱耦合微機電系統通過設置相互配合的T形加熱端和C形加熱端，可以減少加熱區域熱質，降低功率，減小熱漂移，可以實現樣品拉壓、剪切等力學加載同時結合加熱升溫的原位原子分辨的力熱耦合測試。

技術領域

本發明涉及高溫微納實驗力學裝置技術領域，尤其涉及一種力熱耦合微機電系統、原位力學平臺及制造方法。

背景技術

原位觀察技術在透射電子顯微學研究中是當今的研究熱點。通過在樣品上施加各種物理作用，例如電、磁、力、熱等外部激勵，利用透射電子顯微鏡(Transmission ElectronMicroscope，簡稱TEM)來觀察材料的微觀結構和化學狀態的變化，可以直觀地研究材料或器件在實際使用過程中的性能表現，對于材料性能的研究有著重要的實際意義。由于電子顯微鏡原位技術中基于不同物理功能的原位樣品臺結構復雜、技術要求高、價格昂貴，多數以單一物理場加載為主，對于多物理場耦合調控的原位研究還比較欠缺，且溫度多為中溫階段，圖像分辨能力難以提高。

目前，現有的原位高溫力學平臺(力熱耦合)發展主要有三種：第一種配套光學顯微鏡進行研究。例如L.Y.Chen等人開發的真空高溫力學設備，由加熱器、真空腔、光鏡等部分組成，可實現最高202℃的力學實驗，但此類設備難以集成，導致加熱功率高，但加熱溫度較低，觀測與測試環境不一致的實驗分辨率下降等缺點。第二類為配套掃描電子顯微鏡的設備，其中又可分為兩種。其一為機械式原位裝置，其優點是加工設計較為容易，操作簡便，但由于是機械加工，導致這類裝置體積過大，無法適用于透射電鏡中，且加熱功率過高，樣品溫度測量誤差大等缺點。其二為基于微機電系統(Micro-Electro-Mechanical System，簡稱MEMS)的原位裝置，例如，T-H.Chang等人開發的高溫力學器件，其集成度高，但加熱溫度僅為326℃，且體積較大。第三種結合透射電子顯微鏡。例如，Haque等人硅摻雜加熱，即電熱V形梁驅動，但溫度依然較低，且V梁熱影響較嚴重。目前，現有的原位高溫力學平臺在溫度高于600℃左右時會產生熱漂移，無法確保圖像分辨率達到原子尺度，且力學測試性能單一。

發明內容

本發明實施例提供一種力熱耦合微機電系統、原位力學平臺及制造方法，用以解決現有的原位力學平臺溫度適用范圍不高，且力學測試性能單一的問題。

本發明實施例提供一種力熱耦合微機電系統，包括基體、T形加熱端、C形加熱端、內部溫度約束結構和驅動端溫度約束結構，所述基體的一端開設有凹槽；

所述T形加熱端包括橫桿部和縱桿部，所述橫桿部間隔地嵌套于所述C形加熱端中，以形成樣品搭載區；所述縱桿部的一端連接于所述橫桿部，所述縱桿部的另一端伸出所述C形加熱端的開口側并連接于所述內部溫度約束結構，所述內部溫度約束結構通過第一結構支撐梁安裝于所述凹槽的槽底；所述C形加熱端的封閉側背離所述T形加熱端的一端連接于所述驅動端溫度約束結構，所述驅動端溫度約束結構通過第二結構支撐梁安裝于所述凹槽的槽口，所述驅動端溫度約束結構背離所述C形加熱端的一端用于連接微驅動器的動作端。

其中，所述內部溫度約束結構和所述驅動端溫度約束結構均為三角形鏤空的桁架結構。

其中，所述驅動端溫度約束結構背離所述C形加熱端的一端設有雙排平行桁架。

其中，所述內部溫度約束結構朝向所述T形加熱端的一端通過第一熱沉梁連接于所述基體，所述驅動端溫度約束結構朝向所述C形加熱端的一端通過第二熱沉梁連接于所述基體。