CN114166590A - 一种用于介观尺度试样力学性能测试的磁控溅射设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于介观尺度试样力学性能测试的磁控溅射设备，其解决了现有磁控溅射设备完成被测试样的上下两面的磁控溅射费时费力，工作效率低的技术问题，其设有反应腔室、翻转驱动装置，反应腔室内的底部设置有靶材，位于靶材的上方设置有承载夹持装置，用以承载夹持被测试样，承载夹持装置设置在反应腔室内，翻转驱动装置与传动轴的一端相连接，传动轴的另一端与承载夹持装置相连接；当被测试样的一面完成磁控溅射后，翻转驱动装置通过驱动传动轴带动承载夹持装置转动，使被测试样的另一面朝向靶材，实现靶材对被测试样的另一面的磁控溅射，可广泛应用于材料力学性能测量技术领域。

Description

一种用于介观尺度试样力学性能测试的磁控溅射设备

技术领域

本申请涉及材料力学性能测量技术领域，特别涉及一种用于介观尺度试样力学性能测试的磁控溅射设备。

背景技术

随着微电子、微机械行业的发展，薄板微型构件的需求量越来越大，但是由于介观尺度下塑性变形的尺度效应的存在，使得金属薄板的塑性变形能力异于宏观条件，为改进塑性微成形工艺，需要对金属薄板介观尺度下的塑性变形行为进行系统的研究。

其中，由于弯曲工艺在薄板塑性微成形工艺中的所占比例较大，尤其是微型引线框架的成形过程中，微弯曲工艺更是承担着重要作用。宏观弯曲工艺中，板材上与一个表面发生压缩类变形，另一个表面发生伸长类变形。由于宽板在宽度方向的尺寸较大，宽度方向上的材料会相互限制其向宽度方向发生塑性流动，最终宽板的应变状态为平面应变状态，其厚度方向的横截面与原板材的横截面几乎相同，仍为矩形。而在窄板变形区中，由于其宽度方向上尺寸较小，宽度方向上的材料相互限制变形的能力较差，最终窄板变形区的应变状态为三向应变状态，窄板变形区在厚度方向上的横截面积会变为扇形。

而介观尺度下金属薄板的厚度(t)处于微米、亚微米尺度，其厚度方向上晶粒间的协调变形能力将直接影响材料的变形行为，导致薄板中宽板与窄板的应变演化都有异于宏观条件下宽板与窄板的应变演化行为，增加了微弯曲工艺成形性的不确定性。为优化微弯曲工艺，需要一种有效、准确的表征方法对微弯曲工艺中薄板的变形行为进行表征，研究薄板上下表面的应变演化行为、弯曲力学性能以及其回弹行为。

目前，介观尺度下的应变分布测量主要采用两种方法：

(1)激光测量与数字散斑全场应变测量方法。激光测量方法的原理是在试样表面进行标记引出形变，利用激光直线传播的特点来获取试样上标记区域的位移变化，而后通过计算确定激光照射处的应变。但是，由于弯曲工艺中的单弯、三点弯、四点弯中冲头直接与试样上表面接触，导致激光无法直接照射在试样表面，无法完成试样与冲头接触的表面的应变测量，而试样中与冲头不发生接触的表面下方的空间较为狭小，且无恒定光路存在，导致激光测量无法准确表征该表面的应变演化。

(2)数字散斑全场应变测量方法。该测量方法为目前较为优秀的应变测量方法，它的原理是通过测量喷漆上散斑点的位移来计算试样变形区各处的应变。该方法可实现测量变形过程中任意时刻的应变测量，且可以形成试样测量区域的应变云图。但是，该方法只适用于被测试样表面与测量镜头之间有着连续的光路，所以该方法同样无法完成试样与冲头接触的表面的应变测量，且由于介观尺度下薄板厚度较小，弯曲变形抗力较低，试样表面喷漆相对较厚，喷漆对于试样的弯曲力学性能与回弹性能影响较大，无法准确测量介观尺度下金属薄板的弯曲变形行为，使弯曲工艺的进一步优化受到限制。

由此可见，上述两种方法由于其各自的限制性，无法准确测量弯曲变形过程中试样上下表面的应变数据，导致无法的准确程度降低，无法有效指导成形工艺的优化。申请人通过潜心研究，通过磁控溅射在被测试样的上下两面形成阵列排布的微几何图形，并严格控制溅射的微几何图形的厚度，该应变标识最大程度的减小对弯曲试样的力学性能测试的影响。通过磁控溅射形成的微几何图形与金属试样间的结合力为金属键，其强度远远大于通过现有印刷成形的微几何图形与金属试样的范德华力，其成形的微几何图形的变形与试样的变形一致性较好。且本应变分布测量方法对试样变形条件、变形空间的光路没有特定要求，解决了上述现有介观尺度试样的应变分布测量的方法的弊端。开展介观尺度试样力学性能测试，需要事先通过磁控溅射在被测试样的上下两面形成阵列排布的微几何图形，使用现有磁控溅射设备，在完成被测试样的一面磁控溅射后，需要打开设备，将被测试样翻转，再对被侧试样的另一面进行磁控溅射，费时费力，工作效率低。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述技术的不足，提供一种用于介观尺度试样力学性能测试的磁控溅射设备，通过磁控溅射在被测试样的上下两面形成阵列排布的微几何图形，省时省力，提高工作效率。

为此，本发明提供一种用于介观尺度试样力学性能测试的磁控溅射设备，其设有反应腔室、翻转驱动装置，反应腔室内的底部设置有靶材，位于靶材的上方设置有承载夹持装置，用以承载夹持被测试样，承载夹持装置设置在反应腔室内，翻转驱动装置与传动轴的一端相连接，传动轴的另一端与承载夹持装置相连接；当被测试样的一面完成磁控溅射后，翻转驱动装置通过驱动传动轴带动承载夹持装置转动，使被测试样的另一面朝向靶材，实现靶材对被测试样的另一面的磁控溅射。

优选的，反应腔室的顶部敞口，密封盖板将反应腔室的顶部密封，反应腔室与密封盖板可拆卸连接。

优选的，密封盖板上安装设有自转驱动装置，自转驱动装置的动力输出轴向下穿过密封盖板与构件承载盘相连接，构件承载盘设置在反应腔室内，在自转驱动装置的动力输出下，构件承载盘绕其中心自转；翻转驱动装置安装在构件承载盘上，设置翻转驱动装置、传动轴、承载夹持装置为一组磁控溅射装置，磁控溅射装置的数量为多组，磁控溅射装置绕构件承载盘的中心呈环形阵列式分布。

优选的，传动轴设有第一传动轴、第二传动轴；翻转驱动装置安装在构件承载盘的上表面，第一传动轴的轴身穿过构件承载盘，其中第一传动轴的上端与翻转驱动装置的动力输出轴通过一对锥形齿轮相互啮合传动，第一传动轴的下端与第二传动轴通过另一对锥形齿轮相互啮合传动，第二传动轴的其中一端与承载夹持装置相连接，承载夹持装置设置在构件承载盘的下方；当被测试样的一面完成磁控溅射后，在翻转驱动装置的动力输出下，通过驱动第一传动轴、第二传动轴，带动承载夹持装置转动，使被测试样的另一面朝向靶材，实现靶材对被测试样的另一面的磁控溅射。

优选的，反应腔室的内壁连接设有周向滑轨，密封盖板的下表面的周边间隔连接设有多个万向轮，万向轮适配滚动连接在周向滑轨的滑槽内。

优选的，翻转驱动装置、自转驱动装置均为驱动电机。

优选的，承载夹持装置设有可拆卸连接的试样溅射盘和溅射盘卡盒；

试样溅射盘设有中空框体、试样定位框、一对金属镀膜成形板和一对压板；试样定位框开设有用于放置被测试样的放置通孔，放置通孔与被测试样的形状、大小相匹配；试样定位框容置于中空框体内，试样定位框设置在一对金属镀膜成形板之间，金属镀膜成形板开设有呈阵列分布的第一通孔，第一通孔为圆形孔，第一通孔的孔径为微米级；一对金属镀膜成形板设置在一对压板之间，一对压板可拆卸的安装在中空框体的上下两侧；位于上下两侧的压板的板身分别压在位于其临近的金属镀膜成形板上，使一对金属镀膜成形板分别紧压在被测试样的测试部的上下表面；压板开设有第二通孔，第二通孔的大小大于第一通孔的孔径；紧贴在被测试样的测试部上的第一通孔与第二通孔相连通；

溅射盘卡盒的左侧开设有卡盒开口，溅射盘卡盒的右侧与传动轴相连接，溅射盘卡盒的上下两侧分别开设有第四通孔，第四通孔的大小不小于第二通孔；溅射盘卡盒内开设有容纳腔，卡盒开口与容纳腔相连通，试样溅射盘从卡盒开口适配插入到容纳腔内，此时第二通孔与第四通孔相连通。

优选的，容纳腔的上下两侧内壁还连接设有多个锁紧簧片，多个锁紧簧片上下两两相对间隔设置，上下相对间隔设置的两个锁紧簧片之间的间隙距离略小于试样溅射盘的厚度。

优选的，试样溅射盘还设有一对橡胶层，一对橡胶层设置在一对压板之间，一对金属镀膜成形板设置在一对橡胶层之间；在橡胶层弹性力的作用下，金属镀膜成形板紧密贴合在被测试样上；橡胶层开设有第三通孔，第三通孔的大小大于第一通孔的孔径；第二通孔、第三通孔、第一通孔相连通设置。

优选的，试样定位框、一对金属镀膜成形板、一对橡胶层、及一对压板均容置在中空框体内；压板通过螺栓可拆卸的安装在中空框体上，螺栓的螺杆从上向下先后穿过位于上部的压板、中空框体、及位于下部的压板并伸出与螺母螺纹连接，螺栓的头部和螺母均突出于中空框体；卡盒开口的上下内壁分别开设有导向槽，导向槽从卡盒开口一直延伸到容纳腔内，且导向槽与容纳腔相连通；试样溅射盘从卡盒开口适配插入到容纳腔内的整个过程中，螺栓的头部，螺母分别与位于上下两侧的导向槽滑动连接。

本发明的有益效果是：本发明提供一种用于介观尺度试样力学性能测试的磁控溅射设备，其设有反应腔室、翻转驱动装置，反应腔室内的底部设置有靶材，位于靶材的上方设置有承载夹持装置，用以承载夹持被被测试样，承载夹持装置设置在反应腔室内，翻转驱动装置与传动轴的一端相连接，传动轴的另一端与承载夹持装置相连接；当被测试样的一面完成磁控溅射后，翻转驱动装置通过驱动传动轴带动承载夹持装置转动，使被测试样的另一面朝向靶材，实现靶材对被测试样的另一面的磁控溅射，最终在被测试样的上下两面形成阵列排布的微几何图形，本发明规避了现有设备在完成被测试样的一面磁控溅射后，需要打开设备，将被测试样翻转，再对被测试样的另一面进行磁控溅射，省时省力，提高工作效率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明主视图的结构示意图；

图2为图1所示的局部剖视图的结构示意图；

图3为图1所示的A-A剖视图的结构示意图；

图4为图2所示的A部放大图的结构示意图；

图5为图2所示的将密封盖板相关部件抬起的结构示意图；

图6为承载夹持装置的结构示意图；

图7为图6所示的局部剖视图的结构示意图；

图8为溅射盘卡盒的俯视图的结构示意图；

图9为图8所示的B-B剖视图的结构示意图；

图10为溅射盘卡盒的左视图的结构示意图；

图11为图10所示的C-C剖视图的结构示意图；

图12为试样溅射盘的结构示意图；

图13为图12所示的断面图的结构示意图；

图14为图13的B部放大图的结构示意图；

图15为图12所示的爆炸图的结构示意图；

图16为金属镀膜成形板的第一通孔的截面结构示意图；

图17为被测试样为弯曲试样结构示意图。

图中标记：1.中空框体，2.金属镀膜成形板，3.压板，4.弯曲试样，5.试样定位框，6.橡胶层，7.螺栓，8.金属镀膜，9.反应腔室，10.翻转驱动装置，11.第二圆角，12.把手，13.安装凹槽，14.凹槽，15.靶材，16.承载夹持装置，17.密封盖板，18.自转驱动装置，19.构件承载转盘，20.第一传动轴，21.第一通孔，22.第二传动轴，23.第一锥形齿轮，24.第二锥形齿轮，25.第三锥形齿轮，26.第四锥形齿轮，27.周向滑轨，28.万向轮，29.试样溅射盘，30.溅射盘卡盒，31.第二通孔，32.紧固端部，33.压边板部，34.卡盒开口，35.第四通孔，36.容纳腔，37.锁紧簧片，38.螺母，39.导向槽，40.抽气管，41.狭长测试部，42.宽部夹持部，43.充气管，44.防护罩，51.放置通孔，61.第三通孔，211.第一斜角，212.第二斜角，311.第一圆角，α.第一斜角211的角度，β.第二斜角212的角度。

具体实施方式

为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。本发明中所使用的方法如无特殊规定，均为常规的方法；所使用的原料和装置，如无特殊规定，均为常规的市售产品。

实施例1

由图1、图2、图4所示，本发明提供一种用于介观尺度试样力学性能测试的磁控溅射设备，用于如图17所示的被测试样为弯曲试样4的上下两面的磁控溅射，其设有反应腔室9、翻转驱动装置10，反应腔室9内的底部设置有靶材15，位于靶材15的上方设置有承载夹持装置16，承载夹持装置16用以承载夹持被弯曲试样4，承载夹持装置16设置在反应腔室9内，翻转驱动装置10与传动轴的一端相连接，传动轴的另一端与承载夹持装置16相连接；当弯曲试样4的一面完成磁控溅射后，翻转驱动装置10通过驱动传动轴带动承载夹持装置16转动，使弯曲试样4的另一面朝向靶材15，实现靶材15对弯曲试样4的另一面的磁控溅射，省时省力，提高工作效率。

作为优选的实施例，由图2、图4所示，反应腔室9的顶部敞口，密封盖板17将反应腔室9的顶部密封，反应腔室9与密封盖板17可拆卸连接，向上抬起密封盖板17，一方面方便打开反应腔室9，另一方面方便向承载夹持装置16夹装或者拆卸弯曲试样4。

作为进一步优选的实施例，由图2～图4所示，密封盖板17上安装设有自转驱动装置18，自转驱动装置18的动力输出轴向下穿过密封盖板17与构件承载转盘19相连接，构件承载转盘19设置在反应腔室9内，在自转驱动装置18的动力输出下，构件承载转盘19绕着构件承载转盘19的中心自转。翻转驱动装置10安装在构件承载转盘19上，设置翻转驱动装置10、传动轴、承载夹持装置16为一组磁控溅射单元，磁控溅射单元的数量为多组，磁控溅射单元绕构件承载转盘19的中心呈环形阵列式分布。当一组磁控溅射单元的弯曲试样4的上下两面完成磁控溅射后，启动自转驱动装置18，驱动构件承载转盘19自转，使下一组磁控溅射单元的承载夹持装置16转到靶材15的上方，然后再进行该组磁控溅射单元内弯曲试样4的上下两面的磁控溅射，完成后再进行下一组，以此类推，进一步提高工作效率。

作为进一步优选的实施例，由图2、图4所示，为了有效合理利用反应腔室9内的空间，传动轴设有第一传动轴20、第二传动轴22；翻转驱动装置10安装在构件承载转盘19的上表面，第一传动轴20的轴身穿过构件承载转盘19，其中第一传动轴20的上端与翻转驱动装置10的动力输出轴通过一对锥形齿轮相互啮合传动，其中翻转驱动装置10的动力输出轴与第一锥形齿轮23同轴连接，第一传动轴20的上端与第二锥形齿轮24同轴连接，第一锥形齿轮23与第二锥形齿轮24相互啮合。第一传动轴20的下端与第二传动轴22通过另一对锥形齿轮相互啮合传动，其中第一传动轴20的下端与第三锥形齿轮25同轴连接，第二传动轴22的轴身与第四锥形齿轮26同轴连接，第三锥形齿轮25与第四锥形齿轮26相互啮合。第二传动轴22的其中一端与承载夹持装置16相连接，承载夹持装置16设置在构件承载转盘19的下方、靶材15的上方。当弯曲试样4的一面完成磁控溅射后，在翻转驱动装置10的动力输出下，通过驱动第一传动轴20、第二传动轴22，带动承载夹持装置16转动，使弯曲试样4的另一面朝向靶材15，实现靶材15对弯曲试样4的另一面的磁控溅射。作为进一步优选的实施例，构件承载转盘19的下表面还连接设有防护罩44，位于构件承载转盘19以下的第一传动轴20、第三锥形齿轮25、第四锥形齿轮26、以及第二传动轴22设置在防护罩44内，第二传动轴22的其中一端穿出防护罩44与承载夹持装置16相连接。

作为进一步优选的实施例，由图4、图5所示，反应腔室9的内壁连接设有周向滑轨27，密封盖板17的下表面的周边间隔连接设有多个万向轮28，万向轮28适配滚动连接在周向滑轨27的滑槽内，确保构件承载转盘19绕其中心自转过程中，更加稳定可靠。

翻转驱动装置10、自转驱动装置18可以为现有装置，最好均为驱动电机，工作稳定可靠。

本发明还包括溅射电源、抽气管40、充气管43等部件，溅射电源与靶材15电连接，用以在磁控溅射过程中向靶材15输出溅射功率。由图2、图5所示，反应腔室9的底部还分别连通设有抽气管40、充气管43，其中抽气管40与外界抽真空装置相连通；当使用本设备时，需要通过抽气管40将反应腔室9抽为真空，然后通过充气管43向反应腔室9内充入氩气，通过预先设置的发射源向该靶材15发射Ar⁺粒子以撞击靶材15。

实施例2

实施例1中所述的承载夹持装置16可以为现有装置，也可以为本发明如下结构的装置。由图6、图7所示，承载夹持装置16设有可拆卸连接的试样溅射盘29和溅射盘卡盒30，用于承载夹持如图17所示的弯曲试样4。

由图12～图15所示，试样溅射盘29设有中空框体1、试样定位框5、一对金属镀膜成形板2和一对压板3；试样定位框5开设有用于放置弯曲试样4的放置通孔51，放置通孔51与弯曲试样4的形状、大小相匹配；放置通孔51的数量可以设置为多个，两个放置通孔51为一组，且相对间隔设置，多组放置通孔51并行排列设置，有效利用试样定位框5空间。试样定位框5容置于中空框体1内，试样定位框5设置在一对金属镀膜成形板2之间，金属镀膜成形板2开设有呈阵列分布的第一通孔21，第一通孔21为圆形孔，第一通孔21的孔径为微米级；一对金属镀膜成形板2设置在一对压板3之间，一对压板3可拆卸的安装在中空框体1的上下两侧；位于上下两侧的压板3的板身分别压在位于其临近的金属镀膜成形板2上，使一对金属镀膜成形板2分别紧压在弯曲试样4的狭长测试部41的上下表面；压板3开设有第二通孔31，第二通孔31的大小大于第一通孔21的孔径；紧贴在弯曲试样4的狭长测试部41上的第一通孔21与第二通孔31相连通。

由图4、图6所示，溅射盘卡盒30的右侧与传动轴相连接，翻转驱动装置10通过驱动传动轴带动溅射盘卡盒30转动，实现整个承载夹持装置16转动。由图7～图11所示，溅射盘卡盒30的左侧开设有卡盒开口34，溅射盘卡盒30的上下两侧分别开设有第四通孔35，第四通孔35的大小不小于第二通孔31；溅射盘卡盒30内开设有容纳腔36，卡盒开口34与容纳腔36相连通，试样溅射盘29从卡盒开口34适配插入到容纳腔36内，此时第二通孔31与第四通孔35相连通，以便金属溅射靶材穿过第四通孔35进入第二通孔31内。

作为优选的实施例，由图9、图11所示，容纳腔36的上下两侧内壁还连接设有多个锁紧簧片37，多个锁紧簧片37上下两两相对间隔设置，上下相对间隔设置的两个锁紧簧片37之间的间隙距离略小于试样溅射盘29的厚度。锁紧簧片37可以为金属材料、也可以为非金属材料，具有一定的弹性；由图7所示，当试样溅射盘29插入溅射盘卡盒30内时，中空框体1将上下相对间隔设置的两个锁紧簧片37之间的间隙撑大，锁紧簧片37受挤压发生弹性变形，靠弹性变形产生挤压力压在中空框体1上，确保试样溅射盘29在溅射盘卡盒30内的状态保持稳定，紧固在溅射盘卡盒30内；同时也方便磁控溅射完成后，试样溅射盘29从溅射盘卡盒30内拔出。

作为优选的实施例，由图14、图15所示，试样溅射盘29还设有一对橡胶层6，一对橡胶层6设置在一对压板3之间，一对金属镀膜成形板2设置在一对橡胶层6之间；在橡胶层6弹性力的作用下，金属镀膜成形板2紧密贴合在弯曲试样4上，最大限度的保证了金属镀膜成形板2与弯曲试样4的狭长测试部41的接触区域的平整、紧密贴合；橡胶层6开设有第三通孔61，第三通孔61的大小大于第一通孔21的孔径；第二通孔31、第三通孔61、第一通孔21相连通设置，以便金属溅射靶材先后穿过第二通孔31、第三通孔61，进入第一通孔21内。

作为优选的实施例，由图14所示，试样定位框5、一对金属镀膜成形板2、一对橡胶层6、及一对压板3均容置在中空框体1内，使结构更加紧凑，各层部件之间结合更加紧密牢固。由图15所示，压板3通过螺栓7可拆卸的安装在中空框体1上，螺栓7的螺杆从上向下先后穿过位于上部的压板3、中空框体1、及位于下部的压板3并伸出与螺母38螺纹连接。由图12所示，螺栓7的头部和螺母38均突出于中空框体1。由图7、图10、图11所示，卡盒开口34的上下内壁分别开设有导向槽39，导向槽39从卡盒开口34一直延伸到容纳腔36内，且导向槽39与容纳腔36相连通；试样溅射盘29从卡盒开口34适配插入到容纳腔36内的整个过程中，螺栓7的头部，螺母38分别与位于上下两侧的导向槽39滑动连接；导向槽39主要具有两方面作用，一是导向作用，使试样溅射盘29顺利插入溅射盘卡盒30内；二是限位作用，限制螺栓7和螺母38，防止试样溅射盘29在溅射盘卡盒30内晃动。

作为优选的实施例，由图14、图15所示，中空框体1的框体内开设一对凹槽14，试样定位框5设置在一对凹槽14之间，一对金属镀膜成形板2分别相对应的安装在一对凹槽14内，设置凹槽14用于定位安放金属镀膜成形板2和试样定位框5。作为进一步优选的实施例，由图15所示，中空框体1为矩形框结构设置。

作为优选的实施例，由图15所示，压板3设有紧固端部32和压边板部33，其中紧固端部32连接设置在压边板部33的边部，中空框体1上的边部开设有与凹槽14相连通的安装凹槽13，紧固端部32安装设置在安装凹槽13内，螺栓7穿过紧固端部32，将压板3安装在中空框体1上，使压边板部33紧压在金属镀膜成形板2上，为进一步在溅射过程中保证金属镀膜成形板2与弯曲试样4的紧密结合，得到轮廓清晰的阵列微几何金属镀膜8。

作为优选的实施例，由图15所示，压板3的第二通孔31的外沿倒有第一圆角311，尽量减小第二通孔31的外沿对靶材原子的沉积过程的影响。

作为优选的实施例，图15所示，中空框体1外沿部分的各边倒有第二圆角11，用于减小在磁控溅射设备中装夹与拆卸本装置的过程中的摩擦力。

作为优选的实施例，由图15所示，中空框体1的一侧连接设有把手12，一方面用于在磁控溅射设备中本装置的装夹与拆卸。另一方面，当试样溅射盘29插入溅射盘卡盒30内时，中空框体1插入至容纳腔36内，把手12卡在溅射盘卡盒30的一侧，起到限位的作用，由图7所示。

作为优选的实施例，由图16所示，为了减小第一通孔21内壁对靶材原子沉积过程的影响，在第一通孔21的孔径尺寸限制范围内，提高靶材原子落入第一通孔21的底部的效率，提升金属镀膜8在弯曲试样4的狭长测试部41微几何图形成形效果，采用二级斜角结构，在第一通孔21的孔壁上沿向外倒有第一斜角211，第一斜角211的角度α可以设置为45°，在位于第一斜角211下部的第一通孔21的孔壁设有第二斜角212，且第二斜角212的角度β小于第一斜角211的角度α，减小位于第一斜角211下部的第一通孔21的孔壁对于靶材原子沉积落入圆孔的影响，进一步提升金属镀膜8在弯曲试样4的狭长测试部41微几何图形成形的均匀性。同样的，可在开有第一斜角211、第二斜角212的二级斜角基础上，在位于第二斜角212下部的第一通孔21的孔壁开设第三斜角，原理同二级斜角相同，以此类推，最终可以将第一通孔21原有整个直壁部分由一级一级的斜角代替。即第一通孔21面向来自金属原子溅射方向的开口逐渐增大，类似喇叭口形状，极大的增加了靶材原子落入第一通孔21的底部的概率，进一步提升金属镀膜8在弯曲试样4的狭长测试部41微几何图形成形的均匀性。

本发明磁控溅射设备的使用方法，其包括以下步骤：

(1)由图12、图15所示，将试样定位框5定位放置在中空框体1内，再把弯曲试样4定位放置在试样定位框5的放置通孔51内。再将试样定位框5放置在一对金属镀膜成形板2之间，然后一对金属镀膜成形板2放置在一对橡胶层6之间，一对橡胶层6放置在一对压板3之间，此时试样定位框5、一对金属镀膜成形板2、一对橡胶层6、及一对压板3均容置在中空框体1内，最后通过螺栓7将一对压板3分别固定安装在中空框体1上；一对橡胶层6受压发生弹性形变，在橡胶层6弹性力的作用下，使一对金属镀膜成形板2分别紧密贴合在弯曲试样4的上下表面，并确保紧贴在弯曲试样4的狭长测试部41上的第一通孔21与第二通孔31、第三通孔61相连通；完成弯曲试样4在试样溅射盘29内的安装。

(2)由图5所示，打开反应腔室9，由图7所示，将安装有弯曲试样4的试样溅射盘29插入溅射盘卡盒30内，第二通孔31与第四通孔35相连通，完成弯曲试样4在承载夹持装置16内的承载夹持，然后密封盖板17将反应腔室9的顶部密封，由图2所示。当弯曲试样4的一面完成磁控溅射后，翻转驱动装置10通过驱动传动轴带动承载夹持装置16转动180°，使弯曲试样4的另一面朝向靶材15，实现靶材15对弯曲试样4的另一面的磁控溅射。

在实际操作过程中，应严格控制磁控溅射在弯曲试样4的表面形成的阵列排布的金属镀膜8的厚度，最大程度的减小金属镀膜8对弯曲试样4的力学性能测试的影响。例如：在弯曲试样4的狭长测试部41上面或下面的磁控溅射过程中，采取的磁控溅射参数为电压0.38kV，电流0.26A，每分钟溅射厚度20nm，溅射时长8min，最终金属镀膜8的溅射厚度为160nm。由于介观尺度弯曲试样4的厚度较小、强度较低，因此，在弯曲试样4上溅射金属镀膜8的厚度要控制的非常小，以最大程度的减小金属镀膜8对试样的力学性能测试的影响。另外，根据弯曲试样4的颜色，最好选择与其颜色对比鲜明，且化学性质比弯曲试样4材料稳定的金属，作为金属溅射靶材，例如弯曲试样4的材料如果为纯铜，可以选择与其颜色反差较大的纯钛，作为金属溅射靶材。

密封盖板17将反应腔室9的顶部密封后，开始抽真空，当反应腔室9内真空度达到溅射要求后，将电压、电流调整至合适参数，开始弯曲试样4的溅射过程。反应腔室9内的氩气在高真空，高电压下被电离为具有较高速度的氩离子撞击金属溅射靶材，金属溅射靶材表面上的金属原子受撞击朝各个角度飞出，一部分少量的金属原子先后穿过第四通孔35、第二通孔31、第三通孔61、第一通孔21，落在位于第一通孔21底部的弯曲试样4的狭长测试部41表面，且与狭长测试部41表面的原子形成金属键，随溅射过程的持续，金属原子逐渐在狭长测试部41的表面聚集生长为具有一定厚度的薄膜，最终在弯曲试样4的狭长测试部41表面形成金属镀膜8微几何图形。

(3)弯曲试样4的狭长测试部41的上下表面完成磁控溅射金属镀膜8后，由图5所示，打开反应腔室9，由图7所示，将安装有弯曲试样4的试样溅射盘29从溅射盘卡盒30内拔出，拆卸溅射盘卡盒30，将金属镀膜成形板2与弯曲试样4相互分离，获得狭长测试部41的上下表面分别溅射有金属镀膜8的可进行微观拉伸的介观尺度弯曲试样4。

本发明不但可以用于弯曲试样4的上下两面的磁控溅射，也可以根据实际需求，用于哑铃形、圆形等其他被测试样的上下两面的磁控溅射。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“左”、“右”、“上”、“下”、“顶”、“底”、“前”、“后”、“内”、“外”、“背”、“中间”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具备特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。需要说明的是，在上述的实施方式中，所述的“第一”、“第二”和“第三”并不代表结构和/或功能上的绝对区分关系，也不代表先后的执行顺序，而仅仅是为了描述的方便。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于介观尺度试样力学性能测试的磁控溅射设备，其设有反应腔室(9)、翻转驱动装置(10)，所述反应腔室(9)内的底部设置有靶材(15)，位于所述靶材(15)的上方设置有承载夹持装置(16)，用以承载夹持被测试样，所述承载夹持装置(16)设置在所述反应腔室(9)内，其特征在于，所述翻转驱动装置(10)与传动轴的一端相连接，所述传动轴的另一端与所述承载夹持装置(16)相连接；当所述被测试样的一面完成磁控溅射后，所述翻转驱动装置(10)通过驱动所述传动轴带动所述承载夹持装置(16)转动，使所述被测试样的另一面朝向所述靶材(15)，实现所述靶材(15)对所述被测试样的另一面的磁控溅射。

2.根据权利要求1所述的一种用于介观尺度试样力学性能测试的磁控溅射设备，其特征在于，所述反应腔室(9)的顶部敞口，密封盖板(17)将所述反应腔室(9)的顶部密封，所述反应腔室(9)与所述密封盖板(17)可拆卸连接。

3.根据权利要求2所述的一种用于介观尺度试样力学性能测试的磁控溅射设备，其特征在于，所述密封盖板(17)上安装设有自转驱动装置(18)，所述自转驱动装置(18)的动力输出轴向下穿过所述密封盖板(17)与构件承载转盘(19)相连接，所述构件承载转盘(19)设置在所述反应腔室(9)内，在所述自转驱动装置(18)的动力输出下，所述构件承载转盘(19)绕其中心自转；所述翻转驱动装置(10)安装在所述构件承载转盘(19)上，设置所述翻转驱动装置(10)、所述传动轴、所述承载夹持装置(16)为一组磁控溅射单元，所述磁控溅射单元的数量为多组，所述磁控溅射单元绕所述构件承载转盘(19)的中心呈环形阵列式分布。

4.根据权利要求3所述的一种用于介观尺度试样力学性能测试的磁控溅射设备，其特征在于，所述传动轴设有第一传动轴(20)、第二传动轴(22)；所述翻转驱动装置(10)安装在所述构件承载转盘(19)的上表面，所述第一传动轴(20)的轴身穿过所述构件承载转盘(19)，其中所述第一传动轴(20)的上端与所述翻转驱动装置(10)的动力输出轴通过一对锥形齿轮(23，24)相互啮合传动，所述第一传动轴(20)的下端与所述第二传动轴(22)通过另一对锥形齿轮(25，26)相互啮合传动，所述第二传动轴(22)的其中一端与所述承载夹持装置(16)相连接，所述承载夹持装置(16)设置在所述构件承载转盘(19)的下方；当所述被测试样的一面完成磁控溅射后，在所述翻转驱动装置(10)的动力输出下，通过驱动所述第一传动轴(20)、所述第二传动轴(22)，带动所述承载夹持装置(16)转动，使所述被测试样的另一面朝向所述靶材(15)，实现所述靶材(15)对所述被测试样的另一面的磁控溅射。

5.根据权利要求3所述的一种用于介观尺度试样力学性能测试的磁控溅射设备，其特征在于，所述反应腔室(9)的内壁连接设有周向滑轨(27)，所述密封盖板(17)的下表面的周边间隔连接设有多个万向轮(28)，所述万向轮(28)适配滚动连接在所述周向滑轨(27)的滑槽内。

6.根据权利要求3所述的一种用于介观尺度试样力学性能测试的磁控溅射设备，其特征在于，所述翻转驱动装置(10)、所述自转驱动装置(18)均为驱动电机。

7.根据权利要求1所述的一种用于介观尺度试样力学性能测试的磁控溅射设备，其特征在于，所述承载夹持装置(16)设有可拆卸连接的试样溅射盘(29)和溅射盘卡盒(30)；

所述试样溅射盘(29)设有中空框体(1)、试样定位框(5)、一对金属镀膜成形板(2)和一对压板(3)；所述试样定位框(5)开设有用于放置所述被测试样的放置通孔(51)，所述放置通孔(51)与所述被测试样的形状、大小相匹配；所述试样定位框(5)容置于所述中空框体(1)内，所述试样定位框(5)设置在一对所述金属镀膜成形板(2)之间，所述金属镀膜成形板(2)开设有呈阵列分布的第一通孔(21)，所述第一通孔(21)为圆形孔，所述第一通孔(21)的孔径为微米级；一对所述金属镀膜成形板(2)设置在一对所述压板(3)之间，一对所述压板(3)可拆卸的安装在所述中空框体(1)的上下两侧；位于上下两侧的所述压板(3)的板身分别压在位于其临近的所述金属镀膜成形板(2)上，使一对所述金属镀膜成形板(2)分别紧压在所述被测试样的测试部(41)的上下表面；所述压板(3)开设有第二通孔(31)，所述第二通孔(31)的大小大于所述第一通孔(21)的孔径；紧贴在所述被测试样的测试部(41)上的所述第一通孔(21)与所述第二通孔(31)相连通；

所述溅射盘卡盒(30)的左侧开设有卡盒开口(34)，所述溅射盘卡盒(30)的右侧与所述传动轴相连接，所述溅射盘卡盒(30)的上下两侧分别开设有第四通孔(35)，所述第四通孔(35)的大小不小于所述第二通孔(31)；所述溅射盘卡盒(30)内开设有容纳腔(36)，所述卡盒开口(34)与所述容纳腔(36)相连通，所述试样溅射盘(29)从所述卡盒开口(34)适配插入到所述容纳腔(36)内，此时所述第二通孔(31)与所述第四通孔(35)相连通。

8.根据权利要求7所述的一种用于介观尺度试样力学性能测试的磁控溅射设备，其特征在于，所述容纳腔(36)的上下两侧内壁还连接设有多个锁紧簧片(37)，多个所述锁紧簧片(37)上下两两相对间隔设置，上下相对间隔设置的两个所述锁紧簧片(37)之间的间隙距离略小于所述试样溅射盘(29)的厚度。

9.根据权利要求7所述的一种用于介观尺度试样力学性能测试的磁控溅射设备，其特征在于，所述试样溅射盘(29)还设有一对橡胶层(6)，一对所述橡胶层(6)设置在一对所述压板(3)之间，一对所述金属镀膜成形板(2)设置在一对所述橡胶层(6)之间；在所述橡胶层(6)弹性力的作用下，所述金属镀膜成形板(2)紧密贴合在所述被测试样上；所述橡胶层(6)开设有第三通孔(61)，所述第三通孔(61)的大小大于所述第一通孔(21)的孔径；所述第二通孔(31)、所述第三通孔(61)、所述第一通孔(21)相连通设置。

10.根据权利要求9所述的一种用于介观尺度试样力学性能测试的磁控溅射设备，其特征在于，所述试样定位框(5)、一对所述金属镀膜成形板(2)、一对所述橡胶层(6)、及一对所述压板(3)均容置在所述中空框体(1)内；所述压板(3)通过螺栓(7)可拆卸的安装在所述中空框体(1)上，所述螺栓(7)的螺杆从上向下先后穿过位于上部的所述压板(3)、所述中空框体(1)、及位于下部的所述压板(3)并伸出与螺母(38)螺纹连接，所述螺栓(7)的头部和所述螺母(38)均突出于所述中空框体(1)；所述卡盒开口(34)的上下内壁分别开设有导向槽(39)，所述导向槽(39)从所述卡盒开口(34)一直延伸到所述容纳腔(36)内，且所述导向槽(39)与所述容纳腔(36)相连通；所述试样溅射盘(29)从所述卡盒开口(34)适配插入到所述容纳腔(36)内的整个过程中，所述螺栓(7)的头部，所述螺母(38)分别与位于上下两侧的所述导向槽(39)滑动连接。

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