CN101329204A - 薄膜非均匀应力在线测量的方法及装置 - Google Patents

Abstract

薄膜非均匀应力在线测量方法及装置，属于工程材料、结构形变及力学实验技术领域。该装置包括激光器、扩束装置、试件装载台、光栅、成像系统、CCD相机以及含有计算程序的计算机。该装置利用两片光栅对从试件表面反射回来的光束进行剪切干涉，得到干涉条纹；通过计算机程序处理干涉条纹，提取条纹中心线，进而计算条纹级数的变化梯度，可获得试件表面的全场曲率；由薄膜非均匀应力计算公式，通过测量得到的曲率就可获得薄膜中的非均匀应力。本发明结构紧凑，可对曲率进行全场、在线、实时测量，并实现薄膜非均匀应力的测量。

Description

薄膜非均匀应力在线测量的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种通过测量薄膜-基体系统曲率来获得薄膜中非均匀应力的实验方法与实验装置，属于工程材料、结构形变及力学实验技术领域。

背景技术

随着电子工业的发展，薄膜材料的应用日益广泛，尤其在微电子领域，薄膜材料独有的优势更加突出。对于薄膜-基体系统，在加工过程中会引入残余应力，这会严重影响薄膜的使用性和可靠性，因此，实现对薄膜中的应力在线、实时、全场的测量意义重大。

目前用于测量薄膜应力的实验方法主要是通过测量薄膜-基体系统曲率来获得薄膜应力，这种间接测量方法都是基于(1)式所示的Stoney公式(Stoney，G.G.The Tension of MetallicFilms Deposited by Electrolysis.Proceedings of the Royal Society，A82(1909)：172-175)，

${\mathrm{\σ}}^{\left(f\right)}=\frac{E_s{h}_s^2\mathrm{\κ}}{6h_f(1-v_s)}---\left(1\right)$

(1)式中σ^(f)是薄膜应力，E_s，v_s分别是基体的弹性模量与泊松比，h_f，h_s分别是薄膜厚度和基体厚度，κ是通过实验测量得到的薄膜-基体系统曲率。

Stoney公式是在假设薄膜处于等双轴应力状态下得到的，所谓等双轴应力状态即满足 ${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{rr}}^{\left(f\right)}={\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ\θ}}^{\left(f\right)},$ 其中σ_rr ^(f)，σ_θθ ^(f)分别是薄膜中的径向应力和周向应力。这种等双轴应力状态的假设在实际情况当中都是不能满足的，因此，利用Stoney公式只能由曲率得到薄膜的均匀应力分布。

申雁鸣等于2007年发明的薄膜应力测量装置及其测量方法(专利申请号：200710038989.5)也是通过测量曲率再由Stoney公式获得应力，因此不能实现薄膜非均匀应力的测量。

目前用于测量薄膜-基体系统曲率的实验方法主要是光学实验方法。Shull等(Shull，A.L.and Spaepen，F..Measurements of Stress during Vapor Deposition of Copper and Silver Thin Filmsand Multilayers，Journal of Applied Physics，Vol.80(1996)，6243-6256)研究了扫描激光法，该方法的局限是不能实现曲率的全场且当扫描区域较大时会耗用大量时间，另外此方法对振动也比较敏感。Finot等(Finot，M.，Blech，I.A.，Suresh，S.and Fujimoto，H..Large Deformation andGeometric Instability of Substrates with Thin-film Deposits，Journal of Applied Physics，Vol.81(1997)，3457-3464)研究了光栅反射法，该方法同样不能实现曲率的全场测量。

发明内容

本发明提供一种薄膜非均匀应力的测量方法及测量装置，该方法可克服上述现有技术的不足，可实现对试件在力、热作用下薄膜非均匀应力的在线测量。

本发明的技术方案如下：

一种薄膜非均匀应力在线测量装置，其特征在于：该在线测量装置包括激光器1、扩束装置2、分光镜4、试件装载台3、依次位于分光镜4上方的第一光栅5a、第二光栅5b、透镜7、过滤屏8、CCD相机9、与CCD相机9相连的计算机10以及用于调节第一光栅和第二光栅之间距离的伺服电机6；所述激光器1发出的激光经过扩束装置2和分光镜4后，由分光镜4反射的光束到达试件装载台3的试件上，经试件反射的光束透过分光镜4，依次经过所述的第一光栅5a、第二光栅5b、透镜7、过滤屏8和CCD相机9；由CCD相机得到的图像经由含计算程序的计算机10进行处理。

本发明所述的激光器1、扩束装置2、分光镜4、试件装载台3、透镜7、过滤屏8以及CCD相机9均设置在支架11上；所述的第一光栅5a与第二光栅5b通过伺服电机6与支架11连接。

本发明所述的试件装载台采用能使试件旋转、并能对试件进行力或热加载的装置。

本发明还提供了一种薄膜非均匀应力在线测量方法，其特征在于将曲率的全场测量与薄膜非均匀应力计算公式相结合来实现薄膜非均匀应力的在线测量，该方法包括如下步骤：

a.将试件安装在试件装载台3上，打开激光器1，并启动计算机10；

b.调节扩束装置2，使从激光器发射的激光扩束并保持均匀性；

c.经过扩束装置2扩束的光束由分光镜4反射到试件装载台3上的试件上，从试件表面反射回来的光束透过分光镜4，依次经过第一光栅5a、第二光栅5b、透镜7和过滤屏8，得到清晰的干涉图像；

d.通过计算机10控制CCD相机9将干涉图像记录下来，在计算机10中输入光栅常数p和两光栅间距Δ，通过计算程序处理干涉图像，提取干涉条纹中心线，计算条纹级数变化梯度和

通过下式：

${\mathrm{\κ}}_{\mathrm{xx}}\≈\frac{p}{2\mathrm{\Δ}}\left(\frac{{\∂n}^{\left(x\right)}}{\∂x}\right),$ ${\mathrm{\κ}}_{\mathrm{xy}}\≈\frac{p}{2\mathrm{\Δ}}\left(\frac{{\∂n}^{\left(x\right)}}{\∂y}\right)$

计算得到试件表面曲率κ_xx，κ_xy；

e.将试件旋转90°，重复步骤d，由下式：

${\mathrm{\κ}}_{\mathrm{yy}}\≈\frac{p}{2\mathrm{\Δ}}\left(\frac{{\∂n}^{\left(y\right)}}{\∂y}\right)$

计算得到试件表面曲率κ_yy，由此可以看出，这种方法可以计算并得到全场非均匀曲率(即得到κ_xx，κ_yy，κ_xy三个分量；

f.通过坐标转换公式将直角坐标下的曲率κ_xx，κ_yy，κ_xy转换成柱坐标下的曲率κ_rr，κ_θθ，将薄膜弹性模量E_f与薄膜泊松比v_f，基体弹性模量E_s与基体泊松比v_s，薄膜厚度h_f和基体厚度h_s输入计算机10中，通过下式：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{rr}}^{\left(f\right)}+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ\θ}}^{\left(f\right)}=\frac{E_s{h}_s^2}{6(1-v_s)h_f}[{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{rr}}+{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\θ\θ}}+\frac{1-v_s}{1+v_s}({\mathrm{\κ}}_{\mathrm{rr}}+{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\θ\θ}}-\stackrel{\‾}{{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{rr}}+{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\θ\θ}}})]\\ {\mathrm{\σ}}_{\mathrm{rr}}^{\left(f\right)}-{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ\θ}}^{\left(f\right)}=-\frac{2E_f{h}_s}{3(1+v_f)}({\mathrm{\κ}}_{\mathrm{rr}}-{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\θ\θ}})\\ \mathrm{\τ}=\frac{E_s{h}_s^2}{6(1-v_s^2)}\frac{d}{\mathrm{dr}}({\mathrm{\κ}}_{\mathrm{rr}}+{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\θ\θ}})\end{array}\right.$

计算σ_rr ^(f)，σ_θθ ^(f)和τ得到试件的非均匀应力，其中σ_rr ^(f)，σ_θθ ^(f)分别是薄膜中的径向应力和周向应力，τ是薄膜与基体界面之间的切应力，d(κ_rr+κ_θθ)/dr表示主曲率之和的径向导数。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：利用两片光栅对从薄膜表面反射的光束进行剪切干涉，干涉后的光束通过透镜成像得到干涉条纹，分析条纹的疏密及条纹级数沿着固定方向的变化率就可获得薄膜-基体系统的全场曲率，继而得到薄膜全场非均匀应力。该装置可实现薄膜-基体系统曲率的全场、在线、实时、非接触、非介入的测量，同时可避免振动对曲率测量的影响；实现对试件在失配应变或热作用下的薄膜非均匀应力测量。

附图说明

图1是本发明薄膜非均匀应力在线测量的装置示意图。

图2是本发明薄膜非均匀应力测量光路原理图。

图3是本发明所用计算程序的流程图。

图中：1-激光器；2-扩束装置；3-试件装载台；4-分光镜；5a-第一光栅；5b-第二光栅；6-伺服电机；7-透镜；8-过滤屏；9-CCD相机；10-算机；11-支架。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的具体结构和实施方式，但不应以此限制本发明的保护范围。

图1是本发明薄膜非均匀应力在线测量的装置的结构示意图，该装置包括激光器1、扩束装置2、分光镜4、试件装载台3、依次位于分光镜4上方的第一光栅5a、第二光栅5b、透镜7、过滤屏8、CCD相机9、与CCD相机9相连的计算机10以及用于调节第一光栅和第二光栅之间距离的伺服电机6；所述激光器1发出的激光经过扩束装置2和分光镜4后，由分光镜4反射的光束到达试件装载台3的试件上，经试件反射的光束透过分光镜4，依次经过所述的第一光栅5a、第二光栅5b、透镜7、过滤屏8和CCD相机9；由CCD相机得到的图像经由含计算程序的计算机10进行处理；所述的激光器1可提供单色性好且均匀的光束；所述的扩束装置2包括放大物镜和准直透镜，放大物镜用来扩大激光束的光斑，准直透镜将扩大后的光束重新汇聚成平行光束；所述的分光镜4将从激光器1发射并经扩束装置2扩束后的激光束反射到试件装载台3；所述的试件装载台3可根据需要将试件旋转并进行力或热加载；激光器1、扩束装置2和分光镜4位于同一平面上，试件装载台3位于支架11的底部；从试件装载台3上的试件表面反射回来的光束透过分光镜4入射到第一光栅5a，经第一光栅5a衍射后的光束入射到第二光栅5b，第一光栅5a和第二光栅5b对光束进行剪切干涉，所述的第一光栅5a和第二光栅5b是具有相同光栅常数的Ronchi光栅；所述的伺服电机6用来调节第一光栅5a与第二光栅5b之间的距离；所述的透镜7将从第二光栅5b透过的光束会聚成像；所述的过滤屏8将经过透镜7会聚得到的图像的无有用信息的成分过滤掉；所述的CCD相机9将过滤屏8过滤得到的干涉图像记录下来，CCD相机9的数据输出端与计算机10的数据输入端相连；分光镜4位于试件装载台3的上方，第一光栅5a位于分光镜4上方，第二光栅5b位于第一光栅5a上方，透镜7位于第二光栅5b上方，过滤屏8位于透镜7上方，CCD相机9位于过滤屏8上方，试件装载台3、分光镜4、第一光栅5a、第二光栅5b、透镜7、过滤屏8、CCD相机9位于同一光轴上；所述的计算机10装有计算程序，可对干涉图像进行分析，提取条纹中心线，计算薄膜非均匀应力。

本发明的工作原理如下：

图2是本发明薄膜非均匀应力在线测量光路原理图，x，y平面垂直于装置中的光轴，第一光栅5a和第二光栅5b的主轴方向均与y轴平行，z方向平行于光轴，激光器1发射的激光经扩束装置2扩束后得到扩大且均匀的光束，此光束经分光镜4反射到试件装载台3上的试件表面，从试件表面反射回来的光束透过分光镜4入射到第一光栅5a，记入射光束的相位场为S(x，y)，经第一光栅5a衍射后得到各级衍射光束，图2中只标记了零级衍射光束L₀和一级衍射光束L₁，θ是衍射角，由光栅方程可给出：

θ＝arcsin(λ/p)≈λ/p    (2)

(2)式中θ是衍射角，λ是激光器1发射的激光的波长，p是第一光栅5a和第二光栅5b的光栅常数。

这两束光入射到第二光栅5b时会有一个与两光栅之间的距离Δ有关的相位差，经第二光栅5b再次衍射，图2中只标记了L₀再次衍射的一级光束L_0，1和L₁再次衍射的零级光束L_1，0，L_0，1的相位场仍可用S(x，y)，L_1，0的相位场用S(x，y+ω)，则：

ω≈Δθ(3)

相长干涉的条件为：

$\frac{S(x,y+\mathrm{\ω})-S(x,y)}{\mathrm{\ω}}=\frac{n^{\left(y\right)}\mathrm{\λ}}{\mathrm{\ω}},n^{\left(y\right)}=0,\±1,\±2...---\left(4\right)$

(4)式中n^(y)代表干涉条纹的级数。

当ω足够小时，(4)式可写为：

$\frac{\∂S(x,y)}{\∂y}=\frac{n^{\left(y\right)}\mathrm{\λ}}{\mathrm{\ω}},n^{\left(y\right)}=0,\±1,\±2...---\left(5\right)$

将(2)、(3)式代入(5)式中得：

$\frac{\∂S(x,y)}{\∂y}=\frac{n^{\left(y\right)}p}{\mathrm{\Δ}},n^{\left(y\right)}=0,\±1,\±2...---\left(6\right)$

由几何光学可知试件表面的曲面方程z＝f(x，y)与入射光束相位场S(x，y)的关系为：

S(x，y)≈2f(x，y)       (7)

由(6)、(7)式可得试件表面曲率与干涉条纹级数之间的关系为：

${\mathrm{\κ}}_{\mathrm{yy}}\≈\frac{{\∂}^{2}f(x,y)}{{\∂y}^2}\≈\frac{p}{2\mathrm{\Δ}}\left(\frac{{\∂n}^{\left(y\right)}}{\∂y}\right),n^{\left(y\right)}=0,\±1,\±2L---\left(8\right)$

${\mathrm{\κ}}_{\mathrm{yx}}\≈\frac{{\∂}^{2}f(x,y)}{\∂x\∂y}\≈\frac{p}{2\mathrm{\Δ}}\left(\frac{{\∂n}^{\left(y\right)}}{\∂x}\right),n^{\left(y\right)}=0,\±1,\±2L---\left(9\right)$

(8)式中κ_yy是试件表面曲率的y方向分量，(9)式中κ_yx是试件表面曲率的旋转分量。将试件旋转九十度，可得试件表面曲率x方向的分量：

${\mathrm{\κ}}_{\mathrm{xx}}\≈\frac{{\∂}^{2}f(x,y)}{\∂x^2}\≈\frac{p}{2\mathrm{\Δ}}\left(\frac{{\∂n}^{\left(x\right)}}{\∂x}\right),n^{\left(x\right)}=0,\±1,\±2L---\left(10\right)$

(10)中κ_xx是试件表面曲率的x方向分量，n^(x)是将试件旋转九十度后得到的干涉条纹级数。

由(8)、(9)、(10)式就可到试件表面曲率的全场信息：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{xx}}\≈\frac{{\∂}^{2}f(x,y)}{{\∂x}^2}\≈\frac{p}{2\mathrm{\Δ}}\left(\frac{{\∂n}^{\left(x\right)}}{\∂x}\right)\\ {\mathrm{\κ}}_{\mathrm{yy}}\≈\frac{{\∂}^{2}f(x,y)}{{\∂y}^2}\≈\frac{p}{2\mathrm{\Δ}}\left(\frac{{\∂n}^{\left(y\right)}}{\∂y}\right),\\ {\mathrm{\κ}}_{\mathrm{xy}}\≈\frac{{\∂}^{2}f(x,y)}{\∂x\∂y}\≈\frac{p}{2\mathrm{\Δ}}\left(\frac{{\∂n}^{\left(x\right)}}{\∂y}\right)\end{array}\begin{array}{c}{n}^{\left(x\right)}=0,\±1,\±2L\\ n^{\left(y\right)}=0,\±1,\±2L\end{array}\right.---\left(11\right)$

(11)式中κ_xx是试件表面曲率的x方向分量，κ_yy是试件表面曲率的y方向分量，κ_xy是试件表面曲率旋转分量，n^(x)代表在x方向剪切干射的条纹级数，n^(y)代表在y方向剪切干射的条纹级数，与其它曲率测量方法相比，这种曲率测量方法的优点是：实现了曲率全场(得到κ_xx，κ_yy，κ_xy三个分量)、在线、实时的测量，且不受振动干扰。

由(11)式已获得试件表面曲率(κ_xx，κ_yy，κ_xy三个分量)，将Stoney公式的假设条件去掉，经过更精确的分析得到薄膜中的非均匀应力与曲率的关系如(12)式所示：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{rr}}^{\left(f\right)}+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ\θ}}^{\left(f\right)}=\frac{E_s{h}_s^2}{6(1-v_s)h_f}[{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{rr}}+{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\θ\θ}}+\frac{1-v_s}{1+v_s}({\mathrm{\κ}}_{\mathrm{rr}}+{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\θ\θ}}-\stackrel{\‾}{{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{rr}}+{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\θ\θ}}})]\\ {\mathrm{\σ}}_{\mathrm{rr}}^{\left(f\right)}-{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ\θ}}^{\left(f\right)}=-\frac{2E_f{h}_s}{3(1+v_f)}({\mathrm{\κ}}_{\mathrm{rr}}-{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\θ\θ}})\\ \mathrm{\τ}=\frac{E_s{h}_s^2}{6(1-v_s^2)}\frac{d}{\mathrm{dr}}({\mathrm{\κ}}_{\mathrm{rr}}+{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\θ\θ}})\end{array}\right.---\left(12\right)$

(12)式中，σ_rr ^(f)，σ_θθ ^(f)分别是薄膜中的径向应力和周向应力，τ是薄膜与基体界面之间的切应力，E_f，v_f分别是薄膜的弹性模量与泊松比，E_s，v_s分别是基体的弹性模量与泊松比，h_f，h_s分别是薄膜厚度和基体厚度，κ_rr，κ_θθ分别是薄膜-基体系统曲率的径向分量与周向分量，可通过(11)式中直角坐标系下曲率经坐标转换得到。由(12)式可知，只要实现薄膜-基体系统曲率的全场测量(即κ_rr，κ_θθ的测量)，就可实现薄膜非均匀应力的测量。

用CCD相机9将干涉图样记录下来并把图像传入到计算机10中，所述的计算机10装有计算程序对图像进行分析，提取干涉条纹中心线，并利用(11)、(12)式得到薄膜的非均匀应力。

所述的薄膜非均匀应力在线测量方法，其特征在于将曲率的全场测量与薄膜非均匀应力计算公式相结合来实现薄膜非均匀应力的在线测量，该方法包括如下步骤：

a.将试件安装在试件装载台3上，打开激光器1，并启动计算机10；

b.调节扩束装置2，使从激光器发射的激光扩束并保持均匀性；

c.经过扩束装置2扩束的光束由分光镜4反射到试件装载台3上的试件上，从试件表面反射回来的光束透过分光镜4，依次经过第一光栅5a、第二光栅5b、透镜7和过滤屏8，得到清晰的干涉图像；

d.通过计算机10控制CCD相机9将干涉图像记录下来，在计算机10中输入光栅常数p和两光栅间距Δ，通过计算程序处理干涉图像，现将图像进行二值化处理，再将图像进行强化处理，在强化后的图像条纹中选若干个点，将这些点进行曲线拟合，从而提取干涉条纹中心线，根据提取的条文中心线计算条纹级数变化梯度

和

通过下式：

${\mathrm{\κ}}_{\mathrm{xx}}\≈\frac{p}{2\mathrm{\Δ}}\left(\frac{{\∂n}^{\left(x\right)}}{\∂x}\right),$ ${\mathrm{\κ}}_{\mathrm{xy}}\≈\frac{p}{2\mathrm{\Δ}}\left(\frac{{\∂n}^{\left(x\right)}}{\∂y}\right)$

计算得到试件表面曲率κ_xx，κ_xy；

e.将试件旋转90°，重复步骤d，由下式：

${\mathrm{\κ}}_{\mathrm{yy}}\≈\frac{p}{2\mathrm{\Δ}}\left(\frac{{\∂n}^{\left(y\right)}}{\∂y}\right)$

计算得到试件表面曲率κ_yy，由此可以看出，这种方法可以计算并得到全场非均匀曲率(即得到κ_xx，κ_yy，κ_xy三个分量；

f.通过坐标转换公式将直角坐标下的曲率κ_xx，κ_yy，κ_xy转换成柱坐标下的曲率κ_rr，κ_θθ，将薄膜弹性模量E_f与薄膜泊松比v_f，基体弹性模量E_s与基体泊松比v_s，薄膜厚度h_f和基体厚度h_s输入计算机10中，通过下式：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{rr}}^{\left(f\right)}+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ\θ}}^{\left(f\right)}=\frac{E_s{h}_s^2}{6(1-v_s)h_f}[{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{rr}}+{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\θ\θ}}+\frac{1-v_s}{1+v_s}({\mathrm{\κ}}_{\mathrm{rr}}+{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\θ\θ}}-\stackrel{\‾}{{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{rr}}+{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\θ\θ}}})]\\ {\mathrm{\σ}}_{\mathrm{rr}}^{\left(f\right)}-{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ\θ}}^{\left(f\right)}=-\frac{2E_f{h}_s}{3(1+v_f)}({\mathrm{\κ}}_{\mathrm{rr}}-{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\θ\θ}})\\ \mathrm{\τ}=\frac{E_s{h}_s^2}{6(1-v_s^2)}\frac{d}{\mathrm{dr}}({\mathrm{\κ}}_{\mathrm{rr}}+{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\θ\θ}})\end{array}\right.$

计算σ_rr ^(f)，σ_θθ ^(f)和τ得到试件的非均匀应力，其中σ_rr ^(f)，σ_θθ ^(f)分别是薄膜中的径向应力和周向应力，τ是薄膜与基体界面之间的切应力，d(κ_rr+κ_θθ)/dr表示主曲率之和的径向导数。

Claims (4)

1.一种薄膜非均匀应力在线测量装置，其特征在于：该在线测量装置包括激光器(1)、扩束装置(2)、分光镜(4)、试件装载台(3)、依次位于分光镜(4)上方的第一光栅(5a)、第二光栅(5b)、透镜(7)、过滤屏(8)、CCD相机(9)、与CCD相机(9)相连的计算机(10)以及用于调节第一光栅和第二光栅之间距离的伺服电机(6)；所述激光器(1)发出的激光经过扩束装置(2)和分光镜(4)后，由分光镜(4)反射的光束到达试件装载台(3)的试件上，经试件反射的光束透过分光镜(4)，依次经过所述的第一光栅(5a)、第二光栅(5b)、透镜(7)、过滤屏(8)和CCD相机(9)；由CCD相机得到的图像经由含计算程序的计算机(10)进行处理。

2.按照权利要求1所述的一种薄膜非均匀应力在线测量装置，其特征在于：所属的激光器(1)、扩束装置(2)、分光镜(4)、试件装载台(3)、透镜(7)、过滤屏(8)以及CCD相机(9)均设置在支架(11)上；所述的第一光栅(5a)与第二光栅(5b)通过伺服电机(6)与支架(11)连接。

3.按照权利要求1所述的薄膜非均匀应力在线测量装置，其特征在于：所述的试件装载台采用能使试件旋转、并能对试件进行力或热加载的装置。

4.一种采用如权利要求1所述装置的薄膜非均匀应力在线测量方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

a.将试件安装在试件装载台(3)上，打开激光器(1)，并启动计算机(10)；

b.调节扩束装置(2)，使从激光器发射的激光扩束并保持均匀性；

c.经过扩束装置(2)扩束的光束由分光镜(4)反射到试件装载台(3)上的试件上，从试件表面反射回来的光束透过分光镜(4)，依次经过第一光栅(5a)、第二光栅(5b)、透镜(7)和过滤屏(8)，得到清晰的干涉图像；

4)通过计算机(10)控制CCD相机(9)将干涉图像记录下来，在计算机(10)中输入光栅常数p和两光栅间距Δ，通过计算程序处理干涉图像，提取干涉条纹中心线，计算条纹级数变化梯度和

，通过下式：

${\mathrm{\κ}}_{\mathrm{xx}}\≈\frac{p}{2\mathrm{\Δ}}\left(\frac{{\∂n}^{\left(x\right)}}{\∂x}\right),$ ${\mathrm{\κ}}_{\mathrm{xy}}\≈\frac{p}{2\mathrm{\Δ}}\left(\frac{{\∂n}^{\left(x\right)}}{\∂y}\right)$

计算得到试件表面曲率κ_xx，κ_xy；

5)将试件旋转90°，重复步骤3)和4)，由下式：

${\mathrm{\κ}}_{\mathrm{yy}}\≈\frac{p}{2\mathrm{\Δ}}\left(\frac{{\∂n}^{\left(y\right)}}{\∂y}\right)$

计算得到试件表面曲率κ_yy；

6)通过坐标转换公式将直角坐标下的曲率κ_xx，κ_yy，κ_xy转换成柱坐标下的曲率κ_rr，κ_θθ，将薄膜弹性模量E_f与薄膜泊松比v_f，基体弹性模量E_s与基体泊松比v_s，薄膜厚度h_f和基体厚度h_s输入计算机(10)中，通过下式：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{rr}}^{\left(f\right)}+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ\θ}}^{\left(f\right)}=\frac{E_s{h}_s^2}{6(1-v_s)h_f}[{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{rr}}+{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\θ\θ}}+\frac{1-v_s}{1+v_s}({\mathrm{\κ}}_{\mathrm{rr}}+{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\θ\θ}}-\stackrel{\‾}{{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{rr}}+{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\θ\θ}}})]\\ {\mathrm{\σ}}_{\mathrm{rr}}^{\left(f\right)}-{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ\θ}}^{\left(f\right)}=-\frac{2E_f{h}_s}{3(1+v_f)}({\mathrm{\κ}}_{\mathrm{rr}}-{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\θ\θ}})\\ \mathrm{\τ}=\frac{E_s{h}_s^2}{6(1-v_s^2)}\frac{d}{\mathrm{dr}}({\mathrm{\κ}}_{\mathrm{rr}}+{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\θ\θ}})\end{array}\right.$

计算σ_rr ^(f)，σ_θθ ^(f)和τ得到试件的非均匀应力，其中σ_rr ^(f)，σ_θθ ^(f)分别是薄膜中的径向应力和周向应力，τ是薄膜与基体界面之间的切应力，d(κ_rr+κ_θθ)/dr表示主曲率之和的径向导数。

Images