CN101788427B - 一种多功能薄膜力学性能检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能薄膜力学性能检测装置，该装置包括样品台、用于向薄膜样品施加压力的加载机构、用于检测薄膜样品所受压力和变形的测量机构以及计算机。本装置采用数字散斑相关方法测量薄膜变形，结合鼓泡法和改良移层法这两种力学测试方法，可以方便、快捷而且精确地测量压力-变形曲线或者腐蚀厚度-变形曲线，根据相应理论模型提取获得薄膜与涂层的力学性能，适用于各种弹塑性体系的工具膜，装饰膜，高分子膜及其他类型薄膜力学性能的测定。

Description

一种多功能薄膜力学性能检测装置

技术领域

本发明属于光测力学和材料性能检测技术领域，特指一种基于数字散斑相关法测量变形的多功能薄膜力学性能检测装置。

背景技术

薄膜科学与技术是微电子、信息、传感器、光学、太阳能利用等技术的基础，它已广泛地渗透到当代科技的各个领域。为了适应高强度、耐磨、耐高温、耐腐蚀等不同工业应用要求，通常采用表面镀膜等各种表面处理技术对材料表面进行加工，使其适用各种复杂的工作环境。薄膜技术也是微电子器件和微电光器件的基础，近来薄膜技术更促进了微电子机械系统(MEMS)的兴起和发展。

随着薄膜科学技术的发展，人们已意识到薄膜材料的力学性能研究对于薄膜材料的生产和正常使用具有非常重要的意义。薄膜的力学性能主要涉及到薄膜的弹性模量、屈服强度、残余应力和界面结合强度等。薄膜的弹性模量不仅在薄膜器件的设计中会用到，而且也是屈服强度、断裂韧性和残余应力测量与评定的基础；薄膜在制备过程中由于薄膜与基体的热胀系数和物理特性的不同而引起的膜内残余应力，并可能导致薄膜的起皱、开裂，甚至膜基分离；膜基界面结合性能是决定薄膜元器件使用寿命的重要因素。因此，薄膜的力学性能是薄膜器件设计的依据，是当今薄膜研究的重要课题之一。

由于薄膜材料的力学性能与具有相同化学成分的大体积材料的力学性能有较大差异，各种传统的力学性能测试技术与装置也不能直接用于薄膜材料的测试，如何正确评价和表征薄膜的力学性能是一个有待进一步研究的热门话题。

目前人们提出的薄膜力学测试技术主要有压痕法、单轴拉伸法、移层法和鼓泡法等。

压痕法是把压头压入材料中，通过连续记录加载与卸载期间载荷与压入深度的变化，结合相应的理论模型得到力学性能，是目前在薄膜力学性能测试技术中较为广泛应用的一种测试技术。压痕法能测量薄膜的弹性模量、硬度以及薄膜的蠕变行为等。

单轴拉伸法的测量原理与传统的块状材料的单轴拉伸法相似，可以直接获得薄膜的应力-应变关系。

移层法作为一种新兴起的残余应力的表征手段，是利用部分破坏的方法，将薄膜内部存在的残余应力释放出来，再通过实验测量得到薄膜破坏前后的曲率变化，代入模型中计算得到残余应力值。

鼓泡法是通过对薄膜试样加压，试样在压力的作用下发生变形，根据压力和对应的中心点高度可以得到残余应力、应力应变关系，当压力增大到使薄膜从基底剥离时，所消耗的能量都用在了界面分离上，可以使与结合性能无关的能量损耗降到最低，从而准确表征膜基体系的界面结合性能。

在这些已有的测试方法中，移层法由于结构简单，加工制造方法容易，并且建模方法相对比较成熟，是常用的残余应力测试技术之一；鼓泡法物理思想简单，是一种既能确定薄膜的弹性模量、残余应力、同时又能确定界面结合能的重要实验方法，因而得到了广泛的应用。

在应用鼓泡法进行测量时，加载装置的设计和薄膜的变形测量是非常重要的因素，加载方式和载荷大小影响适用范围，而如果薄膜变形测量不准确，得到的力学参数相应也就不可信。目前国内外已公开的基于鼓泡法的测试技术和装置有：

中国专利CN1540309A、CN1540310A公开了一种用内涨鼓泡法检测金刚石涂层附着强度的测试技术和测量装置，测量装置主要包括测量基座，He-Ne激光干涉测量系统，压力进给系统和压力测量系统，测量基座用立方体有机玻璃块制成，采用“嵌入式”连接压力测量系统，采用OFV-3000光纤激光振动仪作为He-Ne激光干涉测量系统，采用注射泵作为压力进给系统加压机构，采用卸荷阀对系统压力进行调整。根据帕斯卡定律及板壳理论推导出内涨鼓泡法测量涂层附着强度的理论模型，由此测定金刚石涂层的附着强度，这种测量方法不受基体形状及附着强度大小的限制，可以方便地用于复杂形状基体金刚石涂层的附着强度测量。但装置的不足之处在于1.由于装置采用有机玻璃作为测量基座，而且样品是通过环氧树脂粘接在样品支架上，可承受压力非常有限；2.薄膜变形挠度测量采用的是He-Ne激光干涉测量系统，测量精度高，但对于环境的要求十分苛刻，测量时微弱的噪声和振动对测量结果有非常大的影响。

中国专利CN2613756Y公开了一种薄膜力学性能测试鼓泡仪，包括试样台、试样夹、加压泵和压力传感器，通过与计算机相连的压力传感器和激光位移传感器得到薄膜的压力和变形挠度，具有操作方便，灵活的特点，但其不足之处在于1.由于所采用的压力传感器最大测量极限只有1MPa，压力范围十分有限；2.装置采用加压泵加载，加载时速度难以控制，不能实现均匀加载；3.薄膜中心的挠度由红外激光位移传感器测量，其分辨率仅为2μm，而且只能测量单点，一旦薄膜中心点定位不准，将导致实验结果产生很大误差。

中国专利CN101520385A公开了一种微机电系统薄膜材料力学性能与可靠性测量方法和相应的测试装置，向具有悬浮膜片的薄膜测试结构施加压力，通过位于待测悬浮膜片正上方的位移传感器测量薄膜变形挠度，通过测量压力-挠度变化曲线，根据理论计算得到被测薄膜材料的杨氏模量，残余应力，断裂强度等力学性能和可靠性相关参数。其不足之处在于：1.由于采用粘接的方法将样品粘接在样品台上，粘接剂的抗拉强度有限，可以应用的加载范围也相应受到限制；2.装置采用的是位移传感器测量薄膜变形，由于位移传感器只能测量单点变形挠度，装置采用移动样品的方法让位移传感器测量薄膜变形的轮廓，这样操作的缺点在于一方面有薄膜中心点定位的问题，如果没有准确地定位在薄膜中心点，测量结果必定有很大误差，另一方面，通过移动样品来得到样品的变形轮廓也会使得机械传动系统复杂，在移动样品的过程中容易引入误差。

美国专利US6772642B2公开了一种高效的应用鼓泡法检测材料力学性能的装置，它最大的特点在于可以同时对多个样品进行加载，样品台由多个管道组成，管道由受压不变形的硬质材料制成，样品放置在样品台上，通过管道向样品加压，薄膜变形由位移传感器测得，可以高效地对相同或不同的膜材料进行测量，这种装置由于采用的是位移传感器，也存在样品中心点定位困难的问题，如果定位不准确，结果误差就会很大。

除了以上测试方法和装置，对于薄膜变形挠度的测量，还有文献提出用LVDT(直线位移传感器)、栅线投影法等方法。LVDT(直线位移传感器)只能测量单点位移，如果位移传感器没有定位在中心点的上方，将极大的影响测量结果。栅线投影法虽然可以测量全场位移，但由于采用傅里叶变换方法得到的结果与计算窗口有关，而这个计算窗口的选择大多是凭借经验，不同的计算窗口，使得结果有很大出入，严重影响结果的稳定性。

移层法是通过测量薄膜破坏前后的曲率变化来求得薄膜内的残余应力，其关键在于变形曲率测量，如果测量精度不高，必然影响残余应力的准确度。目前已有的目前国内外已公开的基于移层法测试残余应力的技术和装置有：

中国专利CN101046371A公开了一种基于显微干涉和有限差分的微/纳悬臂梁的曲率测量方法，应用相移显微干涉法来测量微/纳悬臂梁的表面弯曲数据，用有限差分法解析出被测微/纳悬臂梁的弯曲量，从而计算出最佳曲率匹配值。

中国专利CN101051018A公开了一种薄膜残余应力测量结构及其制作和测试方法。用腐蚀液腐蚀牺牲层，测试平板得到应力释放而发生屈曲，用显微镜、CCD摄像仪和电脑显示屏对释放过程进行在线监督，记录平板发生临界屈曲时的自由端悬置长度，利用有限元仿真方法，对结构进行屈曲分析，求得测试平板中残余应力。

中国专利CN201163222Y公开了一种硬质薄膜残余应力测试仪，采用He-Ne激光器产生入射光速，依次经由半透镜的透射及试片表面的反射到达光感器，通过对光程的增大对测量试片的曲率半径进行放大。测量半透镜中心线与试片表面及硅光电池运动路线的距离，从而求出试片的曲率半径。利用化学或电化学方法将沉积在试片上的薄膜剥除，求出剥除前后试片的曲率半径，根据相关理论模型，求出薄膜的残余应力。

普通的移层法是将整个镀层移去预定厚度，使得剩余部分产生弯曲，从而测量膜内平均残余应力，但由于是将整个镀层移去，移去面积大，操作比较复杂。

考虑到现有测试装置和方法的不足，我们发明了一种多功能薄膜力学性能检测装置，它采用数字散斑相关技术测量薄膜变形，结合鼓泡法和改良移层法这两种力学测试技术对薄膜进行原位、在线检测，可以得到残余应力、应力-应变关系，界面结合能等多个薄膜力学性能参数。

发明内容

本发明的目的是提供一种多功能薄膜力学性能检测装置，利用该装置可以方便、快捷而且准确地对薄膜与涂层的力学性能进行测量。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种多功能薄膜力学性能检测装置，其特征在于，包括放置薄膜样品的样品台、用于向薄膜样品施加压力的加载机构、用于检测薄膜样品压力和变形的测量机构以及计算机；

所述的加载机构包括步进电机、活塞和油腔；所述的步进电机驱动活塞；所述的油腔一侧与活塞连接，另一侧与薄膜样品连接；所述加载机构安装于所述样品台的下方；

所述的样品台是加工有内螺纹的钢制圆环；

所述的测量机构包括数据处理卡、安装于油腔内的压力传感器、安装于薄膜样品上方的用于检测薄膜变形的光学散斑检测装置，所述的压力传感器和光学散斑检测装置与数据处理卡连接，所述数据处理卡与所述的计算机连接。

所述的光学散斑检测装置包括光源、制斑部件、远心镜头和CCD摄像头；所述的CCD摄像头与所述的数据处理卡连接；所述的光源、制斑部件、远心镜头依次连接处于发送光路中，所述的远心镜头和CCD摄像头处于接收光路中。

所述的样品台具有X、Y和Z三个方向的位移调节机构。

本发明与已有技术相比，具有以下优点：

1.变形测量精度高。变形测量部分采用采用0.5倍大口径远心镜头，结合数字散斑相关方法，测量精度可达0.4μm，与激光干涉测量精度相当。相比较激光干涉测量系统光路复杂，对环境的防尘、防振、防噪等要求高，数字散斑相关方法具有光路相对简单、测量视场可以调节、不需要光学干涉条纹处理、可适用的测试对象范围广、对测量环境无特别要求等突出的优点。

2.该发明的加载部分采用步进电机加载，计算机实时采集压力数据，比已有装置的人工加压和读数更具备科学性，避免了人工加载时导致的加载速度不均匀，人工读数滞后等不利因素，同时，区别于一般装置用胶将样品粘接在样品台，本发明采用钢盖片将样品拧紧固定在样品台上，整个加载装置采用高强度钢板制成，加载压力范围最大可到10MPa，能满足大多数薄膜的加载压力要求。

3.相对于已有的大部分装置由于采用位移传感器测量薄膜的变形挠度，只能测量单点位移，本发明可以得到薄膜变形的全场位移，进而了解薄膜整体变形的形貌，使得对薄膜变形的认识更加直观。

4.相对于普通移层法将整个镀层移去以测量残余应力，本发明对移层法进行了改良，采用移去部分镀层的实验方法，操作简单，同时对已有模型进行双等轴应力状态简化，大大简化了计算过程。

5.相对于已有装置仅适用一种测试技术，功能单一，本发明结合鼓泡法和改良移层法这两个薄膜力学测试方法，获得残余应力、应力-应变关系、界面结合能等多个薄膜力学性能参数。

6.由于本装置测量变形具有较高的精度，除了可以应用于薄膜力学性能测量，还可以应用于其他微小变形的测量。

附图说明

图1为多功能薄膜力学性能检测装置总体结构示意图；

图2为鼓泡法薄膜变形过程示意图；(a：鼓胀阶段  b：剥离阶段)

图3为多功能薄膜力学性能检测装置示意图；

图4为加载部分剖面图；

图5为实验散斑图；

图6为ESPI和DSCM结果对比图

图7为薄膜变形全场位移图；

图8为薄膜变形等高图；

图9为薄膜变形的压力-挠度关系图；

图10为薄膜变形的应力-应变关系图；

图11为薄膜变形的压力-时间图；

图12为薄膜的移层法坐标示意图；

图13为电池外壳镀层的腐蚀厚度-残余应力关系图。

附图标号说明如下

1.光源 2.制斑部件 3.远心镜头 4.CCD摄像头 5.数据处理系统 6.薄膜样品 7.支架8.样品台 9.油腔 10.步进电机 11.活塞 12.压力传感器 13.位移调节机构 14.弹簧，15.基底，16腐蚀区域。

实施例1：

下面结合附图对本发明提供的多功能薄膜力学性能检测装置的原理，具体结构及表征方法作详细的说明。

利用鼓泡法进行薄膜力学性能测量时，在图1中将薄膜样品6固定在样品台8上，样品6是将涂覆有薄膜的基底用腐蚀或刻蚀等方法，去除一个圆形或方形区域，形成的一个薄膜窗口。样品台8、活塞11、压力传感器12与油腔9相连。油腔内为液压机油，步进电机10驱动活塞11，向薄膜样品施加均布的压力，薄膜样品在压力的作用下发生鼓胀，当压力达到一定值时薄膜和基底发生剥离。加压过程中的压力由压力传感器12实时采集，对应的薄膜变形由光学散斑测量系统测得。薄膜变形的测量原理是：由光源1发出白光，通过光纤进入制斑部件2(制斑部件是涂有散斑的光学玻璃)，当光线通过光学玻璃后就形成了散斑图，通过远心镜头3投射到薄膜样品的表面，经过薄膜样品表面形貌调制后的散斑图经远心镜头3由CCD摄像头4接收，采集到的散斑图送给计算机数据处理系统5进行数字散斑相关方法的计算与分析，得到薄膜变形的三维形貌。

加压时薄膜的变形过程如图2所示，分为两个阶段，第一阶段薄膜向外鼓胀，发生拱起，如图2a所示，a为薄膜样品半径，P为薄膜样品所受压力，ω₀为薄膜中心点挠度。A.Shirani(1998)指出，在大挠度线弹性变形条件下，中心点挠度和压力与应力-应变的关系为： $\mathrm{\ϵ}=\frac{2{\mathrm{\ω}}_0^2}{3a^2}---\left(1\right)$

$\mathrm{\σ}=\frac{P{a}^2}{4{\mathrm{\ω}}_{0}t}---\left(2\right)$

式中P为压力，ω₀为中心点挠度，t为薄膜厚度，a为孔径。根据式(1)和(2)，得到相应的应力-应变曲线，再进行线性拟合，可以得到薄膜的弹性模量E，拟合直线在y轴上的截距即为薄膜内的残余应力σ₀，而当压力P达到一定值时，薄膜变形不再是线弹性阶段，开始偏移拟合直线的点即为弹性极限σ_e。

在第二阶段，随着压力的继续增加，薄膜与基底发生剥离，如图2b所示，当压力增加ΔP后，a+Δa为剥离半径，ω₀+Δω₀为对应的薄膜中心点挠度。在这个阶段，由薄膜与基底分离时的临界压力P_c与临界中心点挠度ω_0c，根据理论模型提取获得薄膜与基底的界面结合能。若薄膜剥离时处于弹性变形状态，界面结合能的表达式为

G＝CP_cω_0c                   (3)

其中G为界面结合能，P_c为临界压力，ω_0c为临界中心点挠度，C在实验过程中可以看成为一个常量，N.Tacher，A.N.Gent，L.Figiel等人给出薄膜处于小挠度变形时，取C＝0.5；薄膜处于大挠度变形时，取C＝0.649。

图3与图1一样，都是描述多功能薄膜力学性能检测装置。

图4为加载部分剖面图，8为样品台，放入样品并用盖片固定，步进电机10驱动活塞11加压，在油腔内安有弹簧14，起到缓冲压力的作用。13为具有X、Y、Z三个方向位置调节功能的位移调节机构，可以调节样品的位置。

图5为散斑投射到样品表面形成的实验散斑图。

图6为ESPI和DSCM结果对比图。为了验证测量系统精度，将本测量装置所用到的数字散斑相关方法(DSCM)的测量结果与电子散斑干涉(ESPI)结果进行比较，如图6所示。选择电子散斑干涉法(ESPI)作为测量参照是因为电子散斑干涉法(ESPI)的测量精度很高，分辨率能高达激光的半波长，它的测量结果具有较高的精确度。从图中可以看出，电子散斑干涉结果与数字散斑相关方法结果吻合程度非常高，说明本装置的实验结果是准确可信的。

图7和图8为测量得到的薄膜变形全场位移图和等高图，从图中可以看出薄膜变形的三维形貌。

应用鼓泡法测量薄膜力学性能的工作过程是：

1.将薄膜样品6放置在样品台8上，用钢盖片将样品拧紧固定，通过位移调节机构13调节样品位置，使之位于光学镜头视场的中心，而且散斑成像清晰。

2.步进电机10驱动活塞11，向薄膜样品施加均布的压力，薄膜样品在压力的作用下发生鼓胀。

3.加压过程中的压力由压力传感器12实时采集，对应的薄膜变形挠度由数字散斑相关方法测得，从而得到薄膜压力(P)-中心点挠度(ω₀)曲线。

4.在薄膜变形的第一阶段，即薄膜试样只是在压力的作用下鼓胀而并未与基底剥离，根据式(1)和(2)，得到相应的应力应变曲线，在满足弹性大挠度变形条件下，线性拟合数据点，得到薄膜的弹性模量E，残余应力σ₀和弹性极限σ_e。

图9为厚度为18μm的镍薄膜压力(P)-中心点挠度(ω₀)关系图，相应的应力应变曲线如图10所示。在线弹性大挠度变形条件下，线性拟合数据点，得到镍薄膜的弹性模量E为208.7GPa，薄膜内的残余应力σ₀为175.73MPa，弹性极限σ_e为415.18MPa。

5.继续增大压力，薄膜在压力的作用下从基底剥离。要注意的是，为了能准确测量膜/基体系的界面结合能，必须保证薄膜是从基底剥离而不是破裂。图11为不锈钢基底上电沉积厚度为50μm的镍薄膜所对应的压力-时间关系。若薄膜剥离时处于弹性变形状态，从图11中可以看出，A点为临界剥离点，根据式(3)计算出镍/不锈钢体系界面结合能为5.42J/m²。

除了采用鼓泡法测量薄膜的力学性能，本装置还可以采用改良移层法测量残余应力。样品形貌如图12所示，整个样品的厚度为H，镀层厚度为h，移去层的厚度为l。以样品的中性面为参考面，建立坐标系，将样品左端固定，腐蚀区域长为L0，距固定端长为L1，距自由端长为L2，在实验中，L0设定为3mm，L1取40mm，L2取52mm，腐蚀区域及其右侧自由端为研究对象。将腐蚀区域移去后，由于膜内残余应力的作用，样品的自由端将发生弯曲变形，用数字散斑相关方法记录变形曲率。在建立理论模型时，为了简化研究体系，假设镀层内存在的应力状态为双等轴平面应力状态(σ_x＝σ_y，σ_z＝0)，x轴方向和y轴方向应力应变关系都可以写为一样的形式

${\mathrm{\ϵ}}_x=\frac{1}{E}({\mathrm{\σ}}_x-v{\mathrm{\σ}}_y)=\frac{{\mathrm{\σ}}_x}{E}(1-v),$ ${\mathrm{\ϵ}}_y=\frac{1}{E}({\mathrm{\σ}}_y-v{\mathrm{\σ}}_x)=\frac{{\mathrm{\σ}}_x}{E}(1-v)---\left(4\right)$

式中ε_x，ε_y为x，y轴方向的应变，σ_x，σ_y为x，y轴方向的应力，E为材料的杨氏模量，υ为泊松比。

用应变来表示应力，可以得到，

${\mathrm{\σ}}_x\left(z\right)=\frac{E}{1-v}{\mathrm{\ϵ}}_x---\left(5\right)$

由于移去层与剩余块体相比要小得多，因此我们可以认为在剩余块体上应变是线性变化的，即

ε_x(z)＝ε_x0+Rz                (6)

式中ε_x0是中平面(z＝0)处的应变，R是悬臂梁的曲率，因此，悬臂梁中的合力与合力矩就可以用应力对z轴的积分来求得。由于膜和基底有着不同的材料参数(杨氏模量E和泊松比υ)，因此，在积分的过程中，膜和基底的参数要分开来进行求解，用下标s表示基底的材料参数，下标c表示膜的材料参数，即

$F_x={\∫}_{-\frac{H}{2}}^{\frac{H}{2}-l}{\mathrm{\σ}}_x\left(z\right)\mathrm{dz}={\∫}_{-\frac{H}{2}}^{\frac{H}{2}-h}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{xs}}\left(z\right)\mathrm{dz}+{\∫}_{\frac{H}{2}-h}^{\frac{H}{2}-l}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{xc}}\left(z\right)\mathrm{dz}---\left(7\right)$

$M_y={\∫}_{-\frac{H}{2}}^{\frac{H}{2}-l}{\mathrm{\σ}}_x\left(z\right)(z+\frac{l}{z})\mathrm{dz}={\∫}_{-\frac{H}{z}}^{\frac{H}{2}-h}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{xs}}\left(z\right)(z+\frac{l}{2})\mathrm{dz}+{\∫}_{\frac{H}{2}-h}^{\frac{H}{2}-l}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{xc}}\left(z\right)(z+\frac{l}{z})\mathrm{dz}---\left(8\right)$

将式(5)和(6)代入(7)与(8)中可得

$\left(\begin{array}{c}{F}_x\\ M_y\end{array}\right)=\left[\begin{array}{cc}{A}_{11}& A_{12}\\ A_{21}& A_{22}\end{array}\right]\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_{x0}\\ C\end{array}\right)---\left(9\right)$

式(9)中的系数A₁₁，A₁₂，A₂₁，A₂₂分别为

$A_{11}=\frac{H-h}{1-v_s}{E}_s+\frac{h-l}{1-v_c}{E}_c---\left(10\right)$

$A_{12}=\frac{1}{2}[\frac{E_s}{1-v_s}(h^2-\mathrm{Hh})+\frac{E_c}{1-v_c}({(\frac{H}{2}-l)}^2-{(\frac{H}{2}-h)}^2)]---\left(11\right)$

$A_{21}=\frac{l}{2}{A}_{11}+A_{12}---\left(12\right)$

$A_{22}=\frac{1}{3}\left\{\frac{E_s}{1-v_s}\right[{(\frac{H}{2}-h)}^3-{\left(\frac{H}{2}\right)}^3]+\frac{E_c}{1-v_c}[{(\frac{H}{2}-l)}^3-{(\frac{H}{2}-h)}^3\left]\right\}+\frac{l}{2}{A}_{12}---\left(13\right)$

作用在剩余块体上的合力和合力矩与移去层之间有一个作用与反作用的关系，因此，由镀层薄膜内的残余应力得到的合力与合力矩的方程为：

$\left(\begin{array}{c}{F}_x\\ M_y\end{array}\right)=-\left(\begin{array}{c}{\mathrm{l\σ}}_x\left(z\right)\\ \frac{H}{2}l{\mathrm{\σ}}_x\left(z\right)\end{array}\right)---\left(14\right)$

合并式(9)和(14)，便可以得到，

$\left[\begin{array}{cc}{A}_{11}& A_{12}\\ A_{21}& A_{22}\end{array}\right]\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_{x0}\\ C\end{array}\right)=-\left(\begin{array}{c}l{\mathrm{\σ}}_x\left(z\right)\\ \frac{H}{2}{\mathrm{l\σ}}_x\left(z\right)\end{array}\right)---\left(15\right)$

从式(15)中可以看出，对于一种特点的实验材料，膜和基底的杨氏模量和泊松比都是确定的，实验样品的整个厚度H与膜厚h是可以测量得到的，移去层的厚度l我们可以通过测量腐蚀后的残余厚度来得到。因此，左侧的系数矩阵为常系数矩阵。在线性方程组中，未知的参量只有ε_x0，C和σ_x三个，只要通过实验手段得到其中的任何一个未知量的值，都可以利用上面的线性方程求解得到余下的两个变量的值。

应用改良移层法测量薄膜残余应力的具体工作过程是：

1.将样品预留出3mm的腐蚀槽，腐蚀槽以外的区域均匀抹上环氧树脂保护层，防止腐蚀槽以外的区域被腐蚀液腐蚀；

2.用支架将样品一端固定在样品台上，一端悬空，形成悬臂梁结构，调节样品的位置，使观测区域位于光学镜头视场的中心，而且散斑成像清晰；

3.记录腐蚀变形前的样品散斑图像；

4.向腐蚀槽滴加15％的稀硝酸溶液进行腐蚀，腐蚀10分钟左右后，用蒸馏水清洗半分钟，再等待悬臂梁静置半分钟后，采集腐蚀变形后的样品散斑图像；

5.用数字散斑相关法对变形前后的两幅散斑图进行处理，得到观测区域腐蚀前后位移变化。

6.用电位测厚仪测量样品的原始膜厚和移去层之后的残余膜厚，两者相减得到移去层的厚度。

7.把得到的数据代入公式(15)，计算得到残余应力值。

图13为电池外壳镀层的腐蚀厚度-残余应力关系图，从图中可以看出随着腐蚀厚度的增加，即沿着镀层表面往基底方向，镀层内的残余应力逐渐减少。

由于本装置测量变形具有较高的精度，除了用于薄膜力学性能测量，还可以应用于其他微小变形测量，具有较大的适用范围。

Claims (2)

1.一种多功能薄膜力学性能检测装置，其特征在于，包括放置薄膜样品的样品台、用于向薄膜样品施加压力的加载机构、用于检测薄膜样品压力和变形的测量机构以及计算机；

所述的加载机构包括步进电机、活塞和油腔；所述的步进电机驱动活塞；所述的油腔一侧与活塞连接，另一侧与薄膜样品连接；所述加载机构安装于所述样品台的下方；在油腔内安有弹簧；

所述的样品台是加工有内螺纹的钢制圆环；

所述的测量机构包括数据处理卡、安装于油腔内的压力传感器、安装于薄膜样品上方的用于检测薄膜变形的光学散斑检测装置，所述的压力传感器和光学散斑检测装置与数据处理卡连接，所述数据处理卡与所述的计算机连接；

薄膜的残余应力σ_x的求取方法如下：

采用公式： $\left[\begin{array}{cc}{A}_{11}& A_{12}\\ A_{21}& A_{22}\end{array}\right]\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_{x0}\\ C\end{array}\right)=-\left(\begin{array}{c}l{\mathrm{\σ}}_x\left(z\right)\\ \frac{H}{2}l{\mathrm{\σ}}_x\left(z\right)\end{array}\right);$

其中：

$A_{11}=\frac{H-h}{1-v_s}{E}_s+\frac{h-l}{1-v_c}{E}_c;$

$A_{12}=\frac{1}{2}[\frac{E_s}{1-v_s}(h^2-\mathrm{Hh})+\frac{E_c}{1-v_c}({(\frac{H}{2}-l)}^2-{(\frac{H}{2}-h)}^2)];$

$A_{21}=\frac{l}{2}{A}_{11}+A_{12};$

$A_{22}=\frac{1}{3}\left\{\frac{E_s}{1-v_s}\right[{(\frac{H}{2}-h)}^3-{\left(\frac{H}{2}\right)}^3]+\frac{E_c}{1-v_c}[{(\frac{H}{2}-l)}^3-{(\frac{H}{2}-h)}^3\left]\right\}+\frac{l}{2}{A}_{12};$

E为杨氏模量，υ为泊松比，用下标s表示基底的材料参数，下标c表示膜的材料参数，实验样品的整个厚度H与膜厚h是由测量得到，移去层的厚度1获取方法为：用电位测厚仪测量样品的原始膜厚和移去层之后的残余膜厚，两者相减得到移去层的厚度，ε_x0是中平面即z＝0处的应变，σ_x为x轴方向的残余应力，C是悬臂梁的曲率；

在线性方程组中，未知的参量只有ε_x0，C和σ_x三个，只要通过实验手段得到其中的任何一个未知量的值，都可以利用上面的线性方程求解得到余下的两个变量的值；

C通过数字散斑相关方法测得试样自由端变形前后的离面位移后间接求得，进而根

据公式 $\left[\begin{array}{cc}{A}_{11}& A_{12}\\ A_{21}& A_{22}\end{array}\right]\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_{x0}\\ C\end{array}\right)=-\left(\begin{array}{c}l{\mathrm{\σ}}_x\left(z\right)\\ \frac{H}{2}l{\mathrm{\σ}}_x\left(z\right)\end{array}\right)$ 求出σ_x；

所述的光学散斑检测装置包括光源、制斑部件、第一远心镜头、第二远心镜头和CCD摄像头；所述的CCD摄像头与所述的数据处理卡连接；所述的光源、制斑部件、第一远心镜头依次连接处于发送光路中，所述的第二远心镜头和CCD摄像头处于接收光路中。

2.根据权利要求1所述的一种多功能薄膜力学性能检测装置，其特征在于，所述的样品台具有X、Y和Z三个方向的位移调节机构。

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