力-熱復合式原位加載系統技術方案

本發明專利技術公開了力-熱復合式原位加載系統，它包括與底座相連的步進電機，步進電機的電機軸與雙向滾珠絲杠通過聯軸器連接，在雙向滾珠絲杠上螺紋連接有左、右絲杠螺母，在左、右絲杠螺母上分別安裝有左、右載物臺，在左載物臺上固定連接有左端支撐和左夾具，基座一端與左載物臺固定相連并且其另一端自由懸空，一個力傳感器安裝在左端支撐和左夾具之間，在左夾具上固定有電熱膜，在右載物臺上固定連接有右夾具，光柵尺位移傳感器的光柵尺讀數頭固定在右載物臺一側側面上，光柵尺位移傳感器的光柵尺主尺粘接在基座上，右夾具能夠壓緊安裝在左夾具電熱膜上的試件設置。本發明專利技術可實現亞微米級別的原位加載。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及納米薄膜材料性能測試設備，特別涉及一種適用于沉積在基底上的納米薄膜力-熱復合式原位加載系統。
技術介紹
材料是人類賴以生存和發展的物質基礎。材料的研究對國民經濟建設、國防建設、人民生活等有著重大意義，在國內外受到普遍重視。隨著近年來納米科學技術的興起，納米功能復合材料、沉積有納米級尺度涂層的薄膜材料等迅速成為人們的關注焦點。而微電子機械系統正是納米薄膜材料應用的關鍵領域之一。微電子機械系統MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems)是在融合多種微細加工技術，并應用現代信息技術的最新成果的基礎上發展起來的高科技前沿學科，是一種全新的必須同時考慮多種物理場混合作用的研發領域。MEMS技術的發展開辟了一個全新的
和產業，米用MEMS技術制作的微傳感器、微執行器、微型構件、微機械光學器件、真空微電子器件、電力電子器件等在航空、航天、汽車、生物醫學、環境監控、軍事以及幾乎人們所接觸到的所有領域中都有著十分廣闊的應用前景。MEMS技術正發展成為一個巨大的產業，就像近20年來微電子產業和計算機產業給人類帶來的巨大變化一樣，MEMS也正在孕育一場深刻的技術變革并對人類社會產生新一輪的影響。其主要包括微型機構、微型傳感器、微型執行器和相應的處理電路等幾部分。隨著對MEMS研究的深入，除了材料電學性能、電化學特性、加工工藝參數外，在產品的設計、加工、測試、實際使用中所遇到的大量力學問題與熱學問題正對MEMS的飛速發展帶來巨大挑戰。同時，納米尺度下的熱力學特性研究有助于微系統結構的設計與功能實現，也為將來定制MEMS結構標準提供了依據。在MEMS中，納米薄膜扮演著舉足輕重的角色，是最為關鍵的核心部件之一。所謂的納米薄膜是指尺寸在nm量級的顆粒(晶粒)構成的薄膜或者層厚在nm量級的單層或多層薄膜，通常也稱作納米顆粒薄膜和納米多層薄膜。納米薄膜根據它的構成和致密程度又可分為顆粒膜和致密膜。在系統中，往往通過電化學沉積法、磁控濺射法、化學氣相沉積法等技術手段將納米薄膜沉積在各種硬性或柔性基底上，簡稱為薄膜-基底結構。其在MEMS中有著十分重要的地位。例如:在數據存儲器和處理系統的集成電路中就有大量的導體、半導體和絕緣薄膜，在磁盤存儲系統中起關鍵作用的是磁性薄膜等等。薄膜中均會有或壓或拉的殘余應力，在第1、I1、III類殘余應力中，有的高達幾個GPa，因此薄膜/基底結構通常是工作在殘余應力和熱應力以及外加應力的聯合作用下。這類薄膜的第一類破壞形式是斷裂；第二類則是屈曲、散裂。薄膜在納米尺度上的變形和損傷直接影響到器件的性能和壽命，因此，將薄膜/基底作為一個基本結構，對其中薄膜的力學、熱學行為進行研究，具有十足的必要性和緊迫性。由于沉積在基底上的納米薄膜往往工作在力-熱復合環境下，并且受表面效應、組織結構、加工工藝等影響，薄膜的性能與宏觀時相比有顯著的不同，許多傳統的測試方法與設備已經不再適用。因此，研發出適用于沉積在基底上的納米薄膜材料的熱力復合實驗裝置具有重大意義。然而，國內外學者往往只研究了薄膜的力學性能或者熱學性能，少有對熱力復合作用下薄膜性能的探索。這一方面是因為相應裝備研發的困難，影響因素多，另一方面是由于薄膜的力學和熱學各自對應的研究還遠未完善。在熱力復合式加載裝備開發上，往往是將整個或大部分力加載裝置放置于溫度控制箱之中，以實現復合加載。例如，Yanaka (Masa-aki Yanaka, Yutaka Kato, Yusuke Tsukahara, “Effects oftemperature on the multiple cracking progress of sub-micron thick glass filmsdeposited on a polymer substrate”，Thin SolidFilms, 355-356(1999)337-342)(“溫度對沉積在聚合物基底上的亞微米厚玻璃膜多重裂紋產生過程的影響”，固體薄膜，337-342頁，1999年)利用加熱爐內的拉伸測試設備研究了溫度對沉積在聚合物基底上薄膜的裂紋產生進程的影響。但是，此種復合方式對力加載部分要求高，且裝備體積龐大，難以在掃描電鏡、原子力顯微鏡等顯微設備下觀測。在力學性能測試方法上，大致分為片外測試和片上測試。片外測試主要包括單軸拉伸法、納米壓痕法、襯底曲率法等° Modinski (R.Modlinski, R.Puers, and 1.De Wolf, AlCuMgMn micro-tensilesamples:Mechanical characterization of MEMS materials atmicro-scale, 〃SensorsandActuatorsA:Physical, vol.143, pp.120-128, 2008.)(“招銅鎂猛微拉伸測試試樣:微尺度下的MEMS材料力學性能表征”，傳感器和制動器A:物理，第143卷，120-128頁，2008年)等人利用微拉伸測試系統表征了 MEMS材料的力學特性。Espinosa (H.D.Espinosa, B.C.Prorok, and M.Fischer, 〃Α methodology for determining mechanical propertiesoffreestanding thin films and MEMS materials, Journal of the Mechanics andPhysics of Solids, vol.51, pp.47-67, 2003.)(“一種確定自由薄膜和 MEMS 材料力學屬性的方法論“，固體力學和固體物理，第51卷，47-67卷，2003年)等人利用原子力顯微鏡，干涉儀等構成的納米壓痕設備獲得了薄膜的非彈性力學性能。但是，薄膜材料易碎，試件加工、安裝和夾持比較困難。同時，薄膜的力學性能測試還要求較高分辨率的應力和應變測量。這些都給微小尺度下薄膜力學性能測試帶來較大的困難，并且研發費用昂貴。在熱學性能測試方法上，主要有激光加熱和電阻加熱方式，通過熱偶、熱阻或光反射方法獲取溫度信息° Goyal (S.Goyal, K.Srinivasan, G.Subbarayan, and T.Siegmund, 〃Anon-contact, thermally-driven buckl ing delamination test to measure interfacialfracture toughness of thin film systems, ^Thin SolidFilms, vol.518, pp.2056-2064, 2010.)(“一種測量薄膜系統界面斷裂韌性的非接觸式、熱驅動屈曲分層測試方法”固體薄膜，第518卷，2056-2064頁，2010年)等人利用加熱平臺、溫度控制器、光學顯微鏡研究了薄膜-基底結構在熱驅動下，薄膜的屈曲行為。Chien (H.-C.Chien, C.-R.Yang, L.-L.Liao, C.-K.Liu, M.-J.Dai, R.-M.Tain, et al., Thermal con本文檔來自技高網...

【技術保護點】
力?熱復合式原位加載系統，它包括與底座相連的步進電機，所述的步進電機的電機軸與雙向滾珠絲杠通過聯軸器連接，所述的雙向滾珠絲杠的兩端支撐設置在支撐座內，所述的支撐座固定在底座上，在所述的雙向滾珠絲杠上螺紋連接有左、右絲杠螺母，在所述的左、右絲杠螺母上分別安裝有左、右載物臺，所述的左、右載物臺與安裝在底座上的導軌通過滑塊滑動連接以導向，其特征在于：在所述的左載物臺上固定連接有左端支撐和左夾具，基座一端與左載物臺固定相連并且其另一端自由懸空，一個力傳感器安裝在左端支撐和左夾具之間，所述的力傳感器的一端與左端支撐固定相連并且其另一端與左夾具固定相連，在所述的左夾具上固定有電熱膜，在所述的右載物臺上固定連接有右夾具，光柵尺位移傳感器的光柵尺讀數頭固定在所述的右載物臺一側側面上，光柵尺位移傳感器的光柵尺主尺粘接在基座上，所述的右夾具能夠壓緊安裝在左夾具電熱膜上的試件設置，所述的步進電機與驅動器相連，所述的力傳感器與變送器相連，一個數據采集卡與所述步進電機的驅動器、力傳感器的變送器以及光柵尺相連，用于處理溫度傳感器信號的一個智能溫度控制器與所述的電熱膜相連，一個溫度傳感器一端與所述的智能溫度控制器相連并且其另一端與試樣相連，所述的數據采集卡和智能溫度控制器與一臺計算機相連，所述的數據采集卡用于采集力傳感器和光柵尺的信號并將信號傳遞給計算機，所述計算機用于處理數據采集卡輸入的信號，再通過數據采集卡向步進電機驅動器發送控制信號以驅動步進電機，并且所述計算機用于向智能溫度控制器輸出溫度控制信號并且通過智能溫度控制器控制電熱膜加熱試件。...

【技術特征摘要】
1.-熱復合式原位加載系統，它包括與底座相連的步進電機，所述的步進電機的電機軸與雙向滾珠絲杠通過聯軸器連接，所述的雙向滾珠絲杠的兩端支撐設置在支撐座內，所述的支撐座固定在底座上，在所述的雙向滾珠絲杠上螺紋連接有左、右絲杠螺母，在所述的左、右絲杠螺母上分別安裝有左、右載物臺，所述的左、右載物臺與安裝在底座上的導軌通過滑塊滑動連接以導向，其特征在于:在所述的左載物臺上固定連接有左端支撐和左夾具，基座一端與左載物臺固定相連并且其另一端自由懸空，一個力傳感器安裝在左端支撐和左夾具之間，所述的力傳感器的一端與左端支撐固定相連并且其另一端與左夾具固定相連，在所述的左夾具上固定有電熱膜，在所述的右載物臺上固定連接有右夾具，光柵尺位移傳感器的光柵尺讀數頭固定在所述的右載物臺一側側面上，光柵尺位移傳感器的光柵尺主尺粘接在基座上，所述的右夾具能夠壓緊安裝在左夾具電熱膜上的試件設置，所述的步進電機與驅動器相連...

【專利技術屬性】
技術研發人員：何巍，王世斌，李林安，張冠華，薛秀麗，賈海坤，郭志明，
申請(專利權)人：天津大學，
類型：發明
國別省市：