CN104677748A - 一种用于测量薄膜性能的鼓膜装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种测量薄膜力学性能的鼓膜装置，薄板固定地置于炉体内部的内胆上靠近炉体上边缘处，盖子位于薄板上方，盖子内部具有凸缘，使得当盖子与炉体通过螺纹装配后，盖子内部的凸缘将薄板与内胆边缘压合在一起，并且薄板与盖子之间具有空隙，加热器置于炉体底部，加压装置通过第一管路与炉体内部相连，控制器通过导线控制炉体内的温度并且将测得的炉体内的压力和温度数据输出至所述控制器，光学显微镜置于透明的观测窗上方用于观测薄板上鼓膜的三维形貌特征。

Description

一种用于测量薄膜性能的鼓膜装置

技术领域

一种结合显微测量的鼓膜装置，属于光测实验力学、变形测量技术领域。

背景技术

鼓膜法是一种测量薄膜力学性能参量的实验方法，宏观鼓膜法已经用于薄膜力学性能的测量当中。随着研究对象厚度越来越小到微米甚至纳米量级，需要发展微尺度上的鼓膜法。此外，微纳米器件当中的薄膜在服役过程中不仅仅受到力载荷，往往受到热载荷的作用，所以需要发展力热耦合作用下的鼓膜法，对薄膜的力学性能进行表征。

薄膜力学性能的测量方法主要有拉伸法、压痕法、鼓膜法等，其中，拉伸法的缺点是难以克服夹持端的影响，且薄膜易发生翘曲变形；压痕法难以克服基底对薄膜性能的影响；鼓膜法可以克服以上两种方法的缺点，且可以同时进行多参量测量，包括薄膜的弹性常数和薄膜内的残余应力。

D Xu等人于2010年在Experimental Mechanics杂志上提出了一种利用反射云纹方法测量透明薄膜离面变形的方法，并且应用于鼓膜法薄膜的三维变形测量当中，该方法的缺点在于装置复杂；只适合于透明薄膜的测量；仅适用于宏观测量；不能应用于微尺度上的鼓膜实验测量等。Neggers等人于2014年在Experimental Mechanics杂志上提出了一种微尺度的鼓膜实验，利用共聚焦光学显微镜结合数字图像相关方法对薄膜的三维变形进行测量，但是该鼓膜装置的缺点是薄膜采用微加工工艺制备；制备过程复杂；仅适用于氮化硅等薄膜且适用范围小。Berdova等人在于2014年在Acta Materialia杂志上提出了一种顶杆式鼓膜实验方法测量纳米氧化铝薄膜的力学参数，但是该方法同样存在薄膜制备过程复杂和适应范围小的缺点。

发明内容

本发明提出了一种用于测量薄膜力学性能的鼓膜装置，包括光学显微镜、炉体、隔热层、内胆、盖子、观测窗、薄板、薄膜、控制器、加压装置、加热器、压力传感器、温度传感器、操控面板、导线、第一管路、第二管路、气流阀，其中，薄板固定地置于炉体内部的内胆上靠近炉体上边缘处，使得薄板的边缘靠近炉体边缘，盖子位于薄板上方，盖子内部具有凸缘，使得当盖子与炉体通过螺纹装配后，盖子内部的凸缘将薄板与内胆边缘压合在一起，并且薄板与盖子之间具有空隙，加热器置于炉体底部，加压装置通过第一管路与炉体内部相连，控制器通过导线与炉体内的加热器、温度传感器、压力传感器连接，以控制炉体内的温度并且将测得的炉体内的压力和温度数据输出至所述控制器，并且，控制器通过第二管路与炉体外的加压装置连接，所述盖子具有用于观测薄板变化的透明的观测窗，光学显微镜置于透明的观测窗上方用于观测薄板上鼓膜的三维形貌特征。

本发明所提出的微尺度鼓膜实验装置，能够适用于不同材料薄膜的鼓膜实验研究，该装置结合光学显微镜对测量的区域进行放大观测，利用光栅对鼓膜的三维形貌进行测量，还可同时对薄膜在力/热耦合作用下的力学变形行为进行研究。

附图说明

图1为本发明的装置的结构示意图，其中，1-观测窗，2a-盖子，2b-炉体，3-隔热层，4-内胆，5-加热器，6-第一垫圈，7-薄板，8-第二垫圈，9-温度传感器，10-压力传感器，11-气流阀，12-操控面板，13-导线，14-第一管路，15-第二管路，16-光学显微镜，17-控制器，18-加压装置，19-薄膜；

图2为鼓膜实验原理示意图。

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及实施方式：

如图1所示，在厚度为100-500μm之间的薄板7上加工出1～5个直径不同的通孔，所述通孔的直径在100-500μm之间，并对薄板7进行打磨抛光处理，然后，在薄板7的上表面甩耐高温胶，甩胶后对耐高温胶覆盖层进行清理，去除覆盖所述通孔上的耐高温胶，使得所述耐高温胶形成均匀的覆盖层，但不覆盖且不渗透进入所述通孔中。需要注意的是，薄板7可由二氧化硅或硅制成，薄膜19可由金属或聚合物材料制成，观测窗1由玻璃或其他耐热透明材料制。

随后，使薄膜19预先生长在表面附有一层光刻胶的玻璃基底上，形成薄膜光刻胶结构，并将该薄膜光刻胶结构压印在涂有耐高温胶的薄板7上，使得光刻胶层朝上，薄膜19与耐高温胶紧密贴合，待耐高温胶固化后，用显影液洗去薄膜光刻胶结构中的光刻胶，最终得到的结构如图2所示，薄膜19通过耐高温胶与薄板7结合在一起，薄膜19的上表面形成有光栅图案，当薄膜19发生变形时，可通过光学显微镜测量出其表面上的光栅图案的变化，并计算出其三维尺寸的变化量。

将印有薄膜19的薄板7置于炉体2b内，由于内胆4的高度小于隔热层3的高度，而第一垫圈6的外径与内胆4的外径和隔热层3的内径和内胆4的外径相同，因此，可以将第一垫圈6置于内胆4上，由于薄板7、薄膜19、第一垫圈6的外径、内胆4的外径、隔热层3的内径均大致相同，因此可以将薄板7置于第一垫圈6上以水平地固定在炉体2b内。第一垫圈6能够阻止内胆4与薄板7之间的热量传递，以免影响温度传感器9的测量结果，同时，也可在薄板7的上设置第二垫圈8，以阻止薄板7与盖子2之间的热量传递，避免影响温度传感器9对炉体2b内温度的测量结果。或者，薄板7可通过卡槽水平地固定于炉体2b内上部，卡槽与薄板7的接触部位可设置第一垫圈6。需要注意的是，盖子2a与炉体2b之间可采用螺纹连接，以使炉体2b密封，并且盖子2a紧紧地压住第二垫圈8，使得盖子2a、第二垫圈8、薄板7、第一垫圈6、以及内胆4紧密的结合在一起，并且彼此之间互相固定。需要注意的是，内胆4可由紫铜或黄铜等导热性能良好的金属制成，以使加热器5所产生的热量快速且均匀地分布于炉体2b内；第一垫圈6为耐热垫圈，第二垫圈8可以是橡胶垫圈或四氟垫圈。

将整个炉体2b置于光学显微镜16的物镜的正下方，调节光学显微镜16的物镜镜头的高度以选择合适放大倍数，直到薄板7上的待测区域在光学显微镜16的视场内清晰地成像。

如图1所示，在本实施例中，控制器17包括操控面板12和气流阀11，并且具有数据连接口和气流管路接口。炉体2b和控制器17之间通过第一管路14与导线13连通，其中，第一管路14与通过炉体2b上的开口于炉体2b内部相连，控制器17与加压装置18之间通过第二管路15连接，气流阀11和加压装置19可共同作用以控制炉体2b内的气压，导线13与炉体2b内的压力传感器10和温度传感器9连接，并且可以将测得炉体2b内的温度和压力数据传输到控制器17，并显示在操控面板12上。

接通电源后，通过控制器17上的操控面板12进行参数设定，即设定实验时的环境温度和压强上限，当压力传感器10所测得的炉体2b内的压强达到预先设定值时可通过控制器17的气流阀11来控制炉体2b内的压强停止增加，也可通过控制器17来控制加压装置18停止加压，温度传感器9将测得炉体2b内的温度数据输送回控制17并显示在操控面板12上，当该温度达到预先设定值时，控制器17可发出信号，使得加热器5停止加热，或者，也可人工通过操作操控面板12来控制加热器5，换言之，操控面板12能够实时显示当前炉体2b内部的温度和压强并控制加热器5和加压装置18的作业。或者，可以打开控制器17上的气流阀11，利用加压装置18缓慢地加压，待炉体2b内的压强达到预期值时关闭气流阀11，如图1所示，加压装置18可以是手动打气筒也可以是电动加压器或其他任何类型的加压设备。

薄膜19在施加的压强P的作用下发生三维变形形成鼓膜，利用光学显微放大原理，记录变形后的观测区域的光栅图像，从而进一步利用光学测量方法获得薄膜19的三维变形特征参量。最后，根据图2所示的理论模型，在已知作用的压强P，鼓膜20的直径2a和三维高度h后，可根据已有公式计算出薄膜的力学常数和残余应力。

Claims (8)

1.本发明提出了一种用于测量薄膜力学性能的鼓膜装置，包括光学显微镜、炉体、隔热层、内胆、盖子、观测窗、薄板、薄膜、控制器、加压装置、加热器、压力传感器、温度传感器、操控面板、导线、第一管路、第二管路、气流阀；

其中，薄板设置于炉体内部的内胆上靠近炉体上边缘处，使得薄板的边缘靠近炉体边缘，盖子位于薄板上方，盖子内部具有凸缘，使得当盖子与炉体通过螺纹装配后，盖子内部的凸缘将薄板与内胆边缘压合在一起从而得以固定，并且薄板上表面与盖子下表面之间具有空隙；

加热器置于炉体底部，控制器通过导线与炉体内的加热器、温度传感器、压力传感器连接，以控制炉体内的温度并且将测得的炉体内的压力数据和温度数据输出至所述控制器；

并且，控制器通过第一管路与炉体内部相连接，通过第二管路与炉体外的加压装置连接，控制器具有气流阀和操控面板，气流阀用于控制加压装置通过第二管路和第一管路向炉体内部加压，使得当气流阀关闭时，炉体内压力保持恒定且无法通过加压装置向炉体内输送气体；

操控面板可以显示压力传感器和温度传感器所测得的炉体内的压力和温度数值，并可以通过操作操控面板来控制加热器的工作；

所述盖子具有用于观测薄板变化的透明的观测窗，光学显微镜置于透明的观测窗上方用于观测薄板上鼓膜的三维形貌特征。

2.如权利要求1所述的鼓膜装置，其特征在于，所述薄板上制备有薄膜，所述薄膜与薄板固定地结合在一起。

3.如权利要求1所述的鼓膜装置，其特征在于，可在所述薄板的下表面与内胆边缘的接触部位设置隔热垫圈。

4.如权利要求1所述的鼓膜装置，其特征在于，可在所述薄板的上表面与盖子的凸缘接触的部位设置橡胶垫圈。

5.如权利要求1所述的鼓膜装置，其特征在于，可在所述薄板的上表面与盖子的凸缘接触的部位设置四氟垫圈。

6.如权利要求2所述的鼓膜装置，其特征在于，所述薄板上制备有薄膜，所述薄膜的上表面制备有用于观测其三维变形特征的光栅。

7.如权利要求1所述的鼓膜装置，其特征在于，所述内胆可由紫铜制成。

8.如权利要求1所述的鼓膜装置，其特征在于，所述内胆可由黄铜制成。