CN103091164A - 一种适用于微纳米薄膜材料的双系统拉伸装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于微纳米薄膜材料的双系统拉伸装置,它包括步进电机，步进电机与滚珠丝杠连接，在滚珠丝杠上连接有丝杠螺母，在丝杠螺母上安装有右载物台，在底座上分别固定连接有左载物台和光栅尺支座，基座固定在左载物台与光栅尺支座上，在左载物台上连接有左端支撑和左夹具，力传感器安装在左端支撑和左夹具之间，在右载物台后部固定连接有具有凹槽的右端支撑并且在位于右端支撑前方的右载物台上滑动连接有一个燕尾滑块，在燕尾滑块上开有内槽，在燕尾滑块的前部固定安装有右夹具，支撑墙设置在燕尾滑块内槽的内部并固定在右载物台上，在支撑墙后壁与燕尾滑块内槽后壁间固定有压电陶瓷。本发明构成双系统拉伸加载方式,精度高。

Description

一种适用于微纳米薄膜材料的双系统拉伸装置

技术领域

本发明涉及微纳米材料力学性能测试设备，特别是涉及一种适用于微纳米薄膜材料的双系统拉伸装置。

背景技术

材料是人类赖以生存和发展的物质基础。材料的研究对国民经济建设、国防建设、人民生活等有着重大意义，在国际上受到普遍重视。随着科学技术的发展，新材料、信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志。

在实际研发与使用中，由于具备诸多优良品质，各种新型材料的应用愈加广泛。尤其是近年来微纳米科学技术的兴起，微纳米功能复合材料、沉积有微纳米级尺度涂层的薄膜材料等迅速成为人们的关注焦点。而宏观柔性电子正是微纳米薄膜材料应用的重要领域之一。

作为一个新兴的领域，宏观柔性电子正吸引着全世界的目光。柔性电子可概括为是将有机/无机材料电子器件制作在柔性/可延性塑料或薄金属基板上的新兴电子技术，以其独特的柔性/延展性以及高效、低成本制造工艺，在信息、能源、医疗、国防等领域具有广泛应用前景，如平板显示器、有机发光二极管OLED、印刷RFID、薄膜太阳能电池板、电子皮肤等。

在柔性电子中，微纳米薄膜扮演着举足轻重的角色，是最为关键的核心部件之一。微纳米薄膜是指尺寸在微纳米量级的颗粒（晶粒）构成的薄膜或者层厚在微纳米量级的单层或多层薄膜，通常也称作微纳米颗粒薄膜和微纳米多层薄膜。在柔性电子器件中，往往通过电化学沉积法、磁控溅射法、化学气相沉积法等技术手段将微纳米薄膜沉积在各种硬性或柔性基底上，简称为薄膜-基底结构。在产品的加工、使用等过程中，薄膜-基底结构常常承受着大量力的作用，如拉伸、压缩、弯曲等。随着基底的变形，薄膜将随之变形并可能伴随着内部高应力的产生，从而导致结构失效。此外，薄膜的沉积过程将不可避免的带来残余应力。过大的残余应力会引发各种失效形式，如薄膜表面产生大量裂纹甚至断裂，薄膜的屈曲与脱粘。这将严重影响微纳米薄膜的电磁光、机械强度等物理性能。同时薄膜基底之间粘接性能的好坏对薄膜失效的难易程度起着关键作用，良好的粘接性能往往能提高薄膜抑制失效的能力。因此，微纳米薄膜力学性能测试的研究殊为重要，并且将对柔性电子未来的发展产生深远的影响。

材料力学性能的研究是所有材料研究的关键。微纳米薄膜材料的拉伸性能是其力学性能中最重要、最基本的性能之一，它在很大程度上决定了该材料的适用范围。因此，在对其力学性能进行研究时，拉伸试验是必不可少的一个环节。同时，微纳米薄膜材料的尺寸十分微小，由于表面效应、组织结构、加工工艺等影响，材料的拉伸性能与宏观时相比有显著的不同，许多传统的拉伸测试方法与设备已经不再适用。因此，研发出适用于微纳米薄膜材料的拉伸装置具有十足的必要性与紧迫性。

一般来说，微纳米薄膜拉伸装置主要包括四部分,驱动、力传感器、位移传感器、机械框架和夹具。其中加载方式的选择，载荷与位移精度的提高，试样的夹持对中等都是难点所在。

a)驱动方式

Bamberg（E.Bamberg,C.P.Grippo,P.Wanakamol,A.H.Slocum,M.C.Boyce,and E.L.Thomas,"A tensile test device for in situ atomic force microscopemechanical testing,"Precision Engineering,vol.30,pp.71-84,2006.）(“一种用于原子力显微镜下的原位拉伸测试设备”，精密工程，第30卷，71-84页，2006年)等人采用步进电机的方式实现了在原子力显微镜下的步进加载。通过细分技术可以减弱或消除步进电机的低频振动，并提高电机的运转精度。同时试样上较大范围内的载荷与位移施加成为可能。但是其位移测量精度低，不利于微小试样的加载测试。

目前采用压电式激励器作为驱动方式的较多，如Read（D.T.Read,"Piezo-actuated microtensile test apparatus,"Journalof testing andevaluation,vol.26,pp.255-259,1998.）（“压电驱动方式的微拉伸测试设备”，测试与评估，第26卷，255-259页，1998年）和沈洪源课题组，（沈洪源,"微结构力学性能片外拉伸测试装置,"传感器与微系统,2007.）根据压电效应，利用计算机软件控制压电单元的位移释放以提供驱动力。通过编程实现闭环控制后，位移分辨率可高达几十纳米，但是较小的位移量程（几十微米），压电单元的蠕变等问题至今仍制约着其发展。

电磁驱动是一种非常理想的驱动方式。Kim课题组（C.Kim,J.Song,and D.Lee,"Development of a fatigue testing system for thin films,"InternationalJournalof Fatigue,vol.31,pp.736-742,2009.）（“适用于薄膜的疲劳测试系统的研发”，疲劳，第31卷，736-742页，2009年）采用电磁驱动器，根据其电磁力与电流的线性关系，实现了精确力控制下的薄膜拉伸疲劳实验，其中力的控制一直是薄膜力学性能测试技术的难点之一。然而电磁驱动所能提供力的大小有限，不适合沉积在基底上的薄膜实验，并且装置复杂，价格昂贵。

b)载荷与位移测量

对步进电机与压电式激励器而言，载荷的测量需要力传感器。已经商品化的力传感器可选范围广，有着很高的精度。位移测量主要分为夹具两端的位移测量与试样内位移测试，其中试样内位移测试分为平均位移和全场位移测试。夹具两端位移常采用各种位移传感器，如光栅尺与平板电容。平均位移测量以标记法为代表，Sharpe（W.Sharpe Jr,B.Yuan,and R.Edwards,"A new technique for measuring themechanical properties of thin films,"Microelectromechanical Systems,Journalof,vol.6,pp.193-199,1997.）（“一种测量薄膜力学性能的新技术”，微电子机械系统，第6卷，193-199页，1997年）等人利用干涉应变计法（ISDG）成功测量出事先沉积在薄膜表面上的两条金线之间的位移，但是试样制作复杂，标记对实验结果会产生一定的不利影响；全场位移测量以散斑法为代表，Read（D.T.Read,"Young'smodulus of thin films by speckle interferometry,"Measurement Science andTechnology,vol.9,p.676,1999.）（“散斑干涉法测量薄膜弹性模量”，测量科学与技术，第9卷，676页，1999年）等人采用电子散斑干涉法（ESPI）得到了金属铜膜在拉伸情况下的面内位移，其具有所需设备简单，无接触式测量等优点，但是对微纳米薄膜等微小试样来说，其分辨率较低，仅为微米级别。

c)机械框架与夹具

对自由薄膜与薄膜-基底结构来说，机械框架有着很大的不同。自由薄膜由于尺寸极为微小，往往利用片外测试与片内测试法。片外测试主要有纳米压痕法、微拉伸法、微振动法、微弯曲法等；片内测试采用微加工工艺，将试样、驱动器和微力或位移传感器集成在同一芯片内进行力学测试，从而避免了试样的夹持与定位，提高了测试的精度和可靠性。例如Takahiro Namazu研发的双压电晶片片内驱动式单轴拉伸装置。（T.Namazu,"Tensile Elongation Measurement Device with In-Plane BimorphActuation Mechanism,"Journalof Nanoscienceand anotechnology,Vol.11,

2777-2784,2011.）（“平面双压电晶片驱动机制下的拉伸变形测试设备”，纳米科学与纳米技术，第11卷，2777-2784页，2011年）而薄膜-基底结构中只有薄膜厚度处于微纳米级别，因此往往沿用传统宏观测试结构形式。无论是自由薄膜还是薄膜-基底结构，试样的夹持与对中都是最具挑战性的任务之一，并将对实验结果的精度产生直接影响。目前主要有机械夹持、胶粘和静电夹持三种方法来夹持试样，并通过显微、定位等设备实现试样的精确对中。此三种方法各有不足，其中机械夹持在高精度对中方面有很大的困难；胶粘操作复杂，对人员相关技能要求较高；静电夹持所需设备昂贵，维护不易。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的不足，提供一种能够满足力、位移测量的高精度，同时满足位移量程大，自动化控制的一种适用于微纳米薄膜材料的双系统拉伸装置。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明的一种适用于微纳米薄膜材料的双系统拉伸装置,它包括安装在底座上的步进电机，所述的步进电机的电机轴与滚珠丝杠通过联轴器连接，所述的滚珠丝杠的两端支撑设置在支撑座内，所述的支撑座固定在底座上，在所述的滚珠丝杠右端螺纹上连接有丝杠螺母，在所述的丝杠螺母上安装有右载物台，所述的右载物台与安装在底座上的导轨滑动连接以导向，在所述的底座上分别固定连接有左载物台和光栅尺支座，基座固定在所述的左载物台与光栅尺支座上，在所述的左载物台上固定连接有左端支撑和左夹具，一个力传感器安装在左端支撑和左夹具之间，所述的力传感器的一端与左端支撑固定相连并且其另一端与左夹具固定相连，在所述的右载物台后部固定连接有具有凹槽的右端支撑并且在位于右端支撑前方的右载物台上通过燕尾槽滑动连接有一个燕尾滑块，在所述的燕尾滑块上开有内槽，在所述的燕尾滑块的前部固定安装有与左夹具相对设置的右夹具，支撑墙设置在燕尾滑块内槽的内部并固定在右载物台上，在所述的支撑墙后壁与燕尾滑块内槽后壁间固定有压电陶瓷，压电陶瓷驱动电源一端与所述的压电陶瓷相连并且其另一端与一台计算机相连，所述计算机用于控制所述压电陶瓷位移量，电容式位移传感器一端安装在所述的右端支撑凹槽内并且其另一端与燕尾滑块后壁相连，光栅尺位移传感器的光栅尺读数头固定在燕尾滑块的一侧侧面上，光栅尺位移传感器的光栅尺主尺粘接在基座上，一个数据采集卡与所述步进电机的驱动器、光栅尺、电容式位移传感器的信号处理器、力传感器的变送器相连，数据采集卡与所述计算机相连，所述的数据采集卡用于采集力传感器、光栅尺、电容式位移传感器的信号并将信号传递给计算机，所述计算机用于将采集的信号进行信号处理并且根据处理后的信号再通过数据采集卡向步进电机的驱动器发送控制信号以驱动步进电机。

本发明的优点在于：本发明在传统的步进电机加滚珠丝杠的驱动方式基础上，于右载物台上设置能精确导向的燕尾滑块，并在其凹槽内部固定有驱动精度更高的压电陶瓷，以此构成双系统拉伸加载方式,既保留了传统驱动方式力与位移量程广的优点，又克服了其精度低的缺点;采用光栅尺位移传感器与电容式位移传感器组成的双位移传感器检测系统，其中，光栅尺主尺粘接于基座上，光栅尺读数头固定在燕尾滑块一侧，并随燕尾滑块运动以测得电机驱动时试样的拉伸位移，电容式位移传感器安装于右端支撑凹槽与燕尾滑块后壁之间以测得压电陶瓷驱动时试样的拉伸位移，固定于左端支撑和左夹具之间的力传感器分辨率高达100mN，可以测得试样变形时的微小载荷，此双系统加载方式与双位移检测及高精度力检测系统同时具备微驱动与大量程驱动以及相关力、位移的高精度检测能力，并且提供了灵活的加载方式选择，比如只用电机驱动（针对位移要求相对宽松的薄膜材料），电机与压电陶瓷皆用（针对局部位移要求非常高的薄膜材料，可保证在受拉过程中，对某一感兴趣的位移值附近进行精确加载与测量），只用压电陶瓷（针对位移要求非常高，位移量程相对较小的薄膜材料）。本发明可以为微纳米薄膜材料的拉伸行为实验研究提供坚实的技术支持。

附图说明

图1是本发明的一种适用于微纳米薄膜材料的双系统拉伸装置的结构示意图；

图2是本发明图1中所示的拉伸装置的燕尾滑块结构示意图；

图3-1和图3-2是采用本发明图1所示的装置进行试件拉伸过程中薄膜表面形貌变化图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

如图所示的本发明的一种适用于微纳米薄膜材料的双系统拉伸装置,它包括安装在底座3上的步进电机1，所述的步进电机的电机轴与滚珠丝杠16通过联轴器2连接，所述的滚珠丝杠的两端支撑设置在支撑座4内，所述的支撑座固定在底座3上，在所述的滚珠丝杠右端螺纹上连接有丝杠螺母20，在所述的丝杠螺母上安装有右载物台19，所述的右载物台与安装在底座上的导轨21滑动连接以导向，在所述的底座上分别固定连接有左载物台5和光栅尺支座12，基座7固定在所述的左载物台与光栅尺支座上，在所述的左载物台上固定连接有左端支撑6和左夹具23，一个力传感器8安装在左端支撑和左夹具之间，所述的力传感器的一端与左端支撑固定相连并且其另一端与左夹具固定相连，在所述的右载物台后部固定连接有具有凹槽的右端支撑14并且在位于右端支撑前方的右载物台上通过燕尾槽滑动连接有一个燕尾滑块17，在所述的燕尾滑块上开有内槽，在所述的燕尾滑块的前部固定安装有与左夹具相对设置的右夹具，支撑墙11设置在燕尾滑块内槽的内部并固定在右载物台上，在所述的支撑墙后壁与燕尾滑块内槽后壁间固定有压电陶瓷15，压电陶瓷驱动电源一端与所述的压电陶瓷相连并且其另一端与一台计算机相连，所述计算机用于控制所述压电陶瓷位移量，电容式位移传感器13一端安装在所述的右端支撑14的凹槽内并且其另一端与燕尾滑块后壁相连，光栅尺位移传感器的光栅尺读数头10固定在燕尾滑块的一侧侧面上，光栅尺位移传感器的光栅尺主尺9粘接在基座上，一个数据采集卡与所述步进电机的驱动器、光栅尺、电容式位移传感器的信号处理器、力传感器的变送器相连，数据采集卡与所述计算机相连，所述的数据采集卡用于采集力传感器、光栅尺、电容式位移传感器的信号并将信号传递给计算机，所述计算机用于将采集的信号进行信号处理并且根据处理后的信号再通过数据采集卡向步进电机的驱动器发送控制信号以驱动步进电机。优选的在所述的底座侧面固定有一个限位开关18，所述的限位开关通过数据采集卡与计算机相连以防止右载物台移动超出正常范围。优选的所述的光栅尺分辨率为0.1μm，电容式位移传感器分辨率为纳米级。针对微纳米薄膜延展性能好，受力小的特点，所选商用力传感器经过标定后分辨率为100mN。

所述的左、右夹具上的结构可以为，在所述的左、右夹具上分别设置有一个处于同一水平面的平台面，在每一个平台面上开有两个螺纹孔并连接有一个销轴。使用过程中将试样两端通过销轴定位并通过安装在螺纹孔内的螺栓固定。

本装置的测试过程为：在安装所有试样之前，计算机通过采集卡发出信号给步进电机驱动器，驱动器发送指令给步进电机1控制其转动，步进电机轴的回转运动通过联轴器2传递给滚珠丝杠16，再由丝杠螺母20转换成右载物台19的直线运动，使得右载物台与左夹具23之间的距离恰好为预设初值，将试件安装在左、右夹具之上，利用定位销精确对中，然后将装置平放于高精度三维定位台之上，高倍光学显微镜之下，调整定位台，使试样位于显微镜视场中心，观测试样初始状态下的表面形貌并记录初始时刻的力与位移值；再次通过计算机控制步进电机，使左右夹具相对移动固定的位移值，记录试样表面形貌和力、位移值，当试样拉伸至某一特定应变值，停止电机运转，利用计算机发出指令给压电陶瓷驱动电源，通过驱动电源控制压电陶瓷15的伸长，此时压电陶瓷右端面顶着燕尾滑块17向前运动；在压电陶瓷伸长的过程中，电容式位移传感器13测得其位移，并经过信号处理后由数据采集卡采集数据反馈给计算机；在经过数次压电陶瓷的加载并记录力、位移信息后，停止压电陶瓷运动，重新启用步进电机，不断重复上述步进电机加载步骤，直至试样拉断，其中，光栅尺主尺9固定于左载物台5与光栅尺支座12之上，光栅尺读数头10与燕尾滑块17固定连接，燕尾滑块在右载物台的牵引下带动光栅尺读数头做直线运动，可测得试样位移，同时力传感器8测得运动过程中各时刻的力;通过力传感器、光栅尺和电容式位移传感器采集的信息，反馈控制步进电机和压电陶瓷。

实施例1

将300纳米厚Cu膜沉积在120微米厚的PET（聚对苯二甲酸乙二酯）基底上，利用图2系统对试样进行拉伸实验，很好地实现了试样的加载控制、力与位移信息的记录以及微观形貌的观测。图3-1和3-2为在拉伸过程中采用高倍光学显微镜观测所得薄膜表面形貌的变化。由图可知，随着薄膜的变形，其表面微裂纹不断扩展与增大，单位面积微裂纹数越来越多。这些有益效果无疑将对薄膜破坏机理的研究产生积极的影响。

Claims (4)

1.一种适用于微纳米薄膜材料的双系统拉伸装置,它包括安装在底座上的步进电机，所述的步进电机的电机轴与滚珠丝杠通过联轴器连接，所述的滚珠丝杠的两端支撑设置在支撑座内，所述的支撑座固定在底座上，在所述的滚珠丝杠右端螺纹上连接有丝杠螺母，在所述的丝杠螺母上安装有右载物台，所述的右载物台与安装在底座上的导轨滑动连接以导向，其特征在于：在所述的底座上分别固定连接有左载物台和光栅尺支座，基座固定在所述的左载物台与光栅尺支座上，在所述的左载物台上固定连接有左端支撑和左夹具，一个力传感器安装在左端支撑和左夹具之间，所述的力传感器的一端与左端支撑固定相连并且其另一端与左夹具固定相连，在所述的右载物台后部固定连接有具有凹槽的右端支撑并且在位于右端支撑前方的右载物台上通过燕尾槽滑动连接有一个燕尾滑块，在所述的燕尾滑块上开有内槽，在所述的燕尾滑块的前部固定安装有与左夹具相对设置的右夹具，支撑墙设置在燕尾滑块内槽的内部并固定在右载物台上，在所述的支撑墙后壁与燕尾滑块内槽后壁间固定有压电陶瓷，压电陶瓷驱动电源一端与所述的压电陶瓷相连并且其另一端与一台计算机相连，所述计算机用于控制所述压电陶瓷位移量，电容式位移传感器一端安装在所述的右端支撑凹槽内并且其另一端与燕尾滑块后壁相连，光栅尺位移传感器的光栅尺读数头固定在燕尾滑块的一侧侧面上，光栅尺位移传感器的光栅尺主尺粘接在基座上，一个数据采集卡与所述步进电机的驱动器、光栅尺、电容式位移传感器的信号处理器、力传感器的变送器相连，数据采集卡与所述计算机相连，所述的数据采集卡用于采集力传感器、光栅尺、电容式位移传感器的信号并将信号传递给计算机，所述计算机用于将采集的信号进行信号处理并且根据处理后的信号再通过数据采集卡向步进电机的驱动器发送控制信号以驱动步进电机。

2.根据权利要求1所述的适用于微纳米薄膜材料的双系统拉伸装置,其特征在于：在所述的底座侧面固定有一个限位开关，所述的限位开关通过数据采集卡与计算机相连。

3.根据权利要求1或2所述的适用于微纳米薄膜材料的双系统拉伸装置,其特征在于：在所述的左、右夹具上分别设置有一个处于同一水平面的平台面，在每一个平台面上开有两个螺纹孔并连接有一个销轴。

4.根据权利要求3所述的适用于微纳米薄膜材料的双系统拉伸装置,其特征在于：所述的光栅尺分辨率为0.1μm，电容式位移传感器分辨率为纳米级,力传感器经过标定后分辨率为100mN。

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