CN107462474A - 一种温度可控的薄膜力学性能测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种温度可控的薄膜力学性能测试装置，属于材料性能测试、光测力学技术领域。测试装置主要由温度控制部分、挠度测量部分、压力加载部分、试件夹持结构、数据接收与显示部分组成。测试时，电加热带加热压力腔内部气体到达某一温度，推动注射器进行压力加载，压力腔内部的均流板使作用在薄膜上的压力比较均匀，不断升高的压力使安装在试件台上的薄膜发生鼓膜形变，试件台上方的激光位移传感器实时测量薄膜形变的中心挠度。数据接收与显示部分接收压力和挠度数据并显示。结合鼓膜法理论模型，根据测量的压力与挠度等数据，可以得到某一温度下薄膜的弹性模量等力学参数。
Description
技术领域
本发明结合光测技术和鼓膜法原理，提出一种温度可控的薄膜力学性能测试装置，属于材料性能测试、光测力学技术领域。
背景技术
薄膜是一种具有优良力、光、热、电性能的半导体材料，为微纳机电系统器件的集成化和微型化创造了条件。常被用作发光二极管、场效应晶体管、保护层、太阳能电池等场合。线性一维和平面二维悬空薄膜结构，是微纳机电系统的重要组成部分，检测和改善薄膜材料的弹性模量和残余应力等力学性能，是提高薄膜器件稳定性与可靠性的关键。
薄膜力学性能的测试方法主要有拉伸法、纳米压痕法、鼓膜法等，其中拉伸法的缺点是难以克服夹持端的影响，薄膜在安装过程中易损坏；纳米压痕法难以克服基底对薄膜力学性能的影响，很难得到准确的测试结果；鼓膜法原理简单，测量精度高，克服了以上两种方法的缺点，且可以同时进行多参数测量，包括薄膜的弹性模量和残余应力等。
中国专利CN106198206A提出利用数字散斑相关法进行薄膜力学性能测量，测试时，需要对散斑图进行图像处理，操作复杂且有延迟，得到的挠度值与压力值对应关系不好；挠度值是由面内位移根据投影角度换算得到，测试时角度值难以精确控制；为了得到较好的散斑图，需要在薄膜表面进行喷漆处理。进行压力加载的油腔中，压力传感器测的是加压油未被加热时的压力，会影响测试结果的准确性。
中国专利CN104677748A提出了一种用于测量薄膜性能的鼓膜装置，该方法测试前需要对薄膜进行特定的处理，测试装置加载的压力和温度不均匀，操作复杂，适用范围比较小。
Negger等人2014年在Experimental Mechanics期刊上提出了一种微尺度的鼓膜试验方案，利用共聚焦光学显微镜结合数字图像相关法对薄膜的三维变形进行测量，存在的不足是薄膜采用微加工工艺制备，过程复杂。Berdova等人2014年在Acta Materialia期刊上提出一种顶杆式鼓膜试验方法测量纳米氧化铝薄膜的力学性能，该方法存在薄膜制备过程复杂和适用范围小的缺点。
发明内容
本发明的目的是提供一种温度可控的薄膜力学性能测试装置。
为实现本发明目的采用的技术方案是：
一种温度可控的薄膜力学性能测试装置，包括温度控制部分、挠度测量部分、压力加载部分、试件夹持结构；
温度控制部分设在压力加载部分外侧；试件夹持结构设在压力加载部分上方；挠度测量部分设在试件夹持结构上方。
压力加载部分包括压力腔、均流板、试件台、加压气管、注射器、底座、XYZ轴微位移平台；
压力腔采用大口径铜管，底部设有端盖，上部设有试件台；
铜管内设有均流板，端盖通过加压气管与注射器连接；
压力腔放置于底座上，底座放置于XYZ轴微位移平台上。
均流板加工有均布的通孔。
在铜管壁上靠近试件台的位置安装压力传感器。
温度控制部分包括电加热带、保温棉、温控器；
电加热带、保温棉依次紧密包裹在铜管的外壁上；
温控器通过引线与电加热带相连。
挠度测量部分包括激光位移传感器、支架；
激光位移传感器安装在支架上并位于薄膜的上方。
试件夹持结构包括法兰盘、螺钉；
法兰盘和试件台上均布个螺纹孔；
在试件台和法兰盘之间放置边缘涂有固体胶的薄膜，使用螺钉将法兰盘紧固在试件台上。
还包括与压力加载部分和挠度测量部分连接的数据接收与显示部分。
本发明的优点是：
针对薄膜力学性能测试装置的现状，我们利用光测技术和鼓膜法原理，提出了一种温度可控的薄膜力学性能实时测试装置。本装置适用于弹塑性薄膜。本测试装置的温度控制部分采用电加热带和保温棉，另外压力腔采用了导热性好的铜管，使得温度加载面积大且均匀，为得到不同温度下准确的测试结果提供了良好的保证；挠度测量采用激光位移传感器，测量精度高并且对薄膜表面反光度和粗糙度要求低，适用范围比较广；压力腔内部安装有均流板，使得压力腔内部气流的压力和温度比较均匀，测试结果更准确；压力传感器靠近试件台布置，测得的压力更接近施加在薄膜上的压力，计算结果更准确。采用注射器进行压力加载，操作方便灵活；试件夹持结构采用法兰盘和试件台，并在薄膜边缘涂固体胶，结构简单且保证了密封夹持。
附图说明
图1为本发明的整体方案示意图。
图2为压力腔俯视剖面示意图。
具体实施方式
下面结合附图1-2进一步说明本发明的具体结构及实施方式：
一种温度可控的薄膜力学性能测试装置，其特征在于：包括温度控制部分、挠度测量部分、压力加载部分、试件夹持结构；
温度控制部分设在压力加载部分外侧；试件夹持结构设在压力加载部分上方；挠度测量部分设在试件夹持结构上方。
压力加载部分包括压力腔、均流板6、试件台7、加压气管18、注射器17、底座2、XYZ轴微位移平台1；
压力腔采用大口径铜管5，底部设有端盖16，上部设有试件台7；
铜管5内设有均流板6，端盖16通过加压气管18与注射器17连接；
压力腔放置于底座2上，底座2放置于XYZ轴微位移平台1上。
均流板6加工有均布的通孔。
在铜管5壁上靠近试件台7的位置安装压力传感器13。
温度控制部分包括电加热带4、保温棉3、温控器15；
电加热带4、保温棉3依次紧密包裹在铜管5的外壁上；
温控器15通过引线与电加热带4相连。
挠度测量部分包括激光位移传感器11、支架12；
激光位移传感器11安装在支架12上并位于薄膜10的上方。
试件夹持结构包括法兰盘8、螺钉9；
法兰盘8和试件台7上均布8个螺纹孔；
在试件台7和法兰盘8之间放置边缘涂有固体胶的薄膜10，使用螺钉9将法兰盘8紧固在试件台7上。
还包括与压力加载部分和挠度测量部分连接的数据接收与显示部分14。
实施例
大口径铜管5内部中间位置安装均流板6，其中均流板6上加工有均布的通孔；在铜管5两端分别密封安装试件台7和端盖16，其中试件台7为表面光滑的圆环，端盖16中间位置加工有加压气管18连接孔；将铜管5外侧依次包裹电加热带4和保温棉3，温控器15通过引线与电加热带4相连；将压力传感器13安装在铜管5壁上靠近试件台7的位置；注射器17通过加压气管18与端盖16密封连接；将底座2放置在XYZ轴微位移平台上，将压力腔放在底座2上，端盖16侧在下侧，试件台7在上侧；将边缘涂油固体胶的薄膜10放在试件台7上，并用螺钉9和法兰盘8紧固；激光位移传感器11放在支架12上，并位于薄膜10的上方；调整XYZ轴微位移平台，使激光位移传感器11的激光投射在薄膜10的中央位置；打开电加热带4并设置温控器15目标温度，待实测温度达到目标温度时推动注射器17进行压力加载；激光位移传感器11和压力传感器13检测挠度值和压力值，数据接收与显示部分接收并显示挠度值和压力值；根据鼓膜法理论模型，利用已有公式计算出薄膜的弹性模量等力学参数。
工作过程
将薄膜10边缘涂固体胶并放置在试件台7上，用法兰盘8将薄膜10压住，利用均布的八个螺钉将法兰盘8紧固。调整XYZ轴微位移平台1，使激光位移传感器11的光束投射在薄膜10的中心位置。打开电加热带4并将温控器15温度设置为目标温度，当实测温度到达目标温度时，继续进行后续操作。推动注射器17，使之向压力腔中充气，均流板6的均流作用使加载在薄膜10上的压力和温度均匀，逐渐升高的压力将薄膜10鼓起。激光位移传感器11检测薄膜10的中心挠度变化情况，压力传感器13检测压力值。数据接收与显示系统接收挠度值和压力值。根据鼓膜法的理论模型，由测试得到逐渐增加的压力值和对应压力下的薄膜挠度，利用已有公式计算出薄膜的弹性模量等力学参数。
Claims (8)
1.一种温度可控的薄膜力学性能测试装置，其特征在于：包括温度控制部分、挠度测量部分、压力加载部分、试件夹持结构；
温度控制部分设在压力加载部分外侧；试件夹持结构设在压力加载部分上方；挠度测量部分设在试件夹持结构上方。
2.根据权利要求1所述的温度可控的薄膜力学性能测试装置，其特征在于：压力加载部分包括压力腔、均流板、试件台、加压气管、注射器、底座、XYZ轴微位移平台；
压力腔采用大口径铜管，底部设有端盖，上部设有试件台；
铜管内设有均流板，端盖通过加压气管与注射器连接；
压力腔放置于底座上，底座放置于XYZ轴微位移平台上。
3.根据权利要求2所述的温度可控的薄膜力学性能测试装置，其特征在于：均流板加工有均布的通孔。
4.根据权利要求2所述的温度可控的薄膜力学性能测试装置，其特征在于：在铜管壁上靠近试件台的位置安装压力传感器。
5.根据权利要求1所述的温度可控的薄膜力学性能测试装置，其特征在于：温度控制部分包括电加热带、保温棉、温控器；
电加热带、保温棉依次紧密包裹在铜管的外壁上；
温控器通过引线与电加热带相连。
6.根据权利要求1所述的温度可控的薄膜力学性能测试装置，其特征在于：挠度测量部分包括激光位移传感器、支架；
激光位移传感器安装在支架上并位于薄膜的上方。
7.根据权利要求1所述的温度可控的薄膜力学性能测试装置，其特征在于：试件夹持结构包括法兰盘、螺钉；
法兰盘和试件台上均布个螺纹孔；
在试件台和法兰盘之间放置边缘涂有固体胶的薄膜，使用螺钉将法兰盘紧固在试件台上。
8.根据权利要求1所述的温度可控的薄膜力学性能测试装置，其特征在于：还包括与压力加载部分和挠度测量部分连接的数据接收与显示部分。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20171212 |