CN216669489U - 一种多功能原位力学测试装置及其设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及材料力学性能测试设备技术领域，尤其涉及一种多功能原位力学测试装置及其设备。多功能原位力学测试装置包括底座、至少两个连接杆、测试探头、控制系统以及压力测试系统；底座用于与材料分析测试设备密封连接；连接杆之间相互连接，得到连接体，连接体的一端与底座连接，另一端与测试探头连接；控制系统控制不同连接杆的运动；压力测试系统用于监测和控制测试探头的施加应力。本实用新型提供的多功能原位力学测试装置，通过SEM、FIB上现有的接口直接插入，可以利用扫描电镜的高分辨率成像，实现纳米材料和结构的原位测试和观测的实验分析目的，观察材料在测试和失效过程中的动态应变和微观结构的变化，实现纳米级精确定位和观测分析。

Description

一种多功能原位力学测试装置及其设备

技术领域

本实用新型涉及材料力学性能测试设备技术领域，尤其涉及一种多功能原位力学测试装置及其设备。

背景技术

纳米或者微米尺寸的薄膜材料或者其它的两维材料(纤维，管状等) 的微区力学性能的测试在现代制造业和科研中是一种重要的表征测试手段。在过去30年来，很多相应的测试技术和设备已经商业化。

目前所报道的微区力学性能的测试方法很多,主要可分为力学和非力学方法两大类。前者包括直接剥离法、激光剥离法、压痕法、划痕法、拉伸法、弯曲展开法、磨耗法及粘带法等；后者包括热学法、核化法、电容法及X射线衍射法等。与非力学方法相比，力学方法的实用性较强，最常用力学方法包括压痕法、划痕法和拉伸法，其相应的理论和测试方法的结合已经在业界得到广泛的应用。

就目前市场上商业化的测试设备来看，大都是集成在光学显微镜或者原子力显微镜的平台上。其缺点在于：

1、光学显微镜的分辨率低，对于小尺寸如纳米或者亚微米级的薄膜和材料没办法进行定位测试。

2、不适合器件级膜层的应力分析。器件里的工艺层一般结构复杂 (patterned)，尺寸小。有些失效分析需要测试那些底层的微小区域某一膜层或者特定膜层间的机械性能。例如CMOS器件中M1和上面的介电层的结合力的分析。这种情况下，目前市场上还没有此类的测试技术和设备。

3、对于暴露在空气中测试，有些膜层在空气中容易氧化或者受湿度影响较大，因此在测试的过程中可能受环境的影响造成膜层的结构或者性能的变化。

目前市场上也有一些商业化的基于电子显微镜的应力测试系统。但是基本上都是分立式的，需要单独安装到SEM或者FIB的样品台上进行测试，如瑞士联邦材料科学与技术实验室(EMPA)开发的原位压痕测试系统和Hysitron公司PI85 SEM PicoIndenter原位压痕仪均为托盘式设计，即安装在SEM或者FIB样品台上测试，这样对SEM/FIB的正常使用势必会造成影响。

实用新型内容

本实用新型旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。

为此，本实用新型的目的在于提供一种多功能原位力学测试装置，该装置可以集成到目前市场上各种类型的商业化SEM(扫描电子显微镜)、FIB(聚焦离子束)等设备里，能够实现纳米级原位力学测试。本实用新型提供的多功能原位力学测试装置，不仅可以用于块材、线材和多层薄膜的机械性能测试，而且可以实现纳米器件中不同工艺层的力学测试，如界面结合力、硬度测试、弹性模量和原位切割及应力测试。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种多功能原位力学测试装置，包括底座、至少两个连接杆、测试探头、控制系统以及压力测试系统；

所述底座用于与材料分析测试设备密封连接；

所述连接杆之间相互连接，得到连接体，所述连接体的一端与所述底座连接，另一端与所述测试探头连接；

所述控制系统控制不同所述连接杆的运动；

所述压力测试系统用于监测和控制所述测试探头的施加应力。

在一些可能的实施方式中，所述控制系统包括位移传感器、驱动电机、控制软件；

每个所述连接杆设置一个所述位移传感器；

所述控制系统通过所述位移传感器来控制不同连接杆的运动。

在一些可能的实施方式中，所述多功能原位力学测试装置设置至少两个驱动电机，所述驱动电机分别为所述多功能原位力学测试装置不同连接杆运动提供动力源。

在一些可能的实施方式中，所述连接杆至少一个为可伸缩杆，所述连接杆优选均为可伸缩杆；

所述控制软件通过位移传感器和驱动电机控制所述伸缩杆的伸缩运动。

在一些可能的实施方式中，所述压力测试系统包括压力传感器、应力测量软件。

在一些可能的实施方式中，所述底座与材料分析测试设备的外部接口密封连接；

所述底座设置有密封件和固定所述底座与所述材料分析测试设备的固定件。

在一些可能的实施方式中，所述底座用于与材料分析测试设备密封连接的连接口设置在所述底座与所述连接体之间；

所述材料分析测试设备为FIB或SEM。

在一些可能的实施方式中，所述测试探头包括连接部和测试部，所述测试部通过所述连接部与所述连接杆连接；

所述测试部选自以下中的任一种形状：

弧形、平面、锥形、三角形、尖角、刃形等。

在一些可能的实施方式中，所述连接体包括依次连接的第一连接杆、第二连接杆和第三连接杆；

所述第一连接杆与所述底座的连接头连接。

在一些可能的实施方式中，所述压力传感器分别设置在所述第二连接杆与所述第三连接杆之间、所述第三连接杆与所述测试探头之间。

在一些可能的实施方式中，所述第一连接杆和底座之间设置有旋转组件，和/或

所述第二连接杆与所述第三连接杆之间设置有旋转组件；

所述旋转组件由旋转控制系统控制，所述旋转组件通过所述旋转控制系统控制在360°范围内旋转。

在一些可能的实施方式中，所述第一连接杆设置为沿X/Y/Z方向运动；

所述第二连接杆设置为沿Z方向运动；

所述第三连接杆设置为沿X方向运动。

本实用新型还提供了一种多功能原位力学测试设备，包括上述的多功能原位力学测试装置和材料分析测试设备，所述多功能原位力学测试装置与所述材料分析测试设备的外部接口真空密封连接；

所述材料分析测试设备为FIB或SEM。

本实用新型提供的多功能原位力学测试设备可用于各种纳米器件的膜层力学性能方面的测试，力学性能检测包括纳米刮痕、纳米压痕、纳米切割、纳米剥离等，不同的检测可采用不同的测试探头完成。

本实用新型与现有技术相比所具有的有益效果：

(1)本实用新型提供的多功能原位力学测试装置和现有的扫描电镜 (SEM)和聚焦离子束(FIB)设备相匹配，其方式可以是通过SEM、FIB 上现有的接口直接插入，然后进行真空密封实现系统集成；在不使用的时候可以抽出，不会对SEM和FIB正常使用造成影响。

(2)本实用新型提供的多功能原位力学测试装置，所有测试都是在高真空的环境下进行的，可以避免膜层在测试过程中因环境的影响造成对测试结果的偏差。

(3)本实用新型提供的多功能原位力学测试装置，可以利用扫描电镜的高分辨率成像，实现纳米材料和结构的原位测试和观测的实验分析目的，观察材料在测试和失效过程中的动态的应变和微观结构的变化，实现纳米级精确定位和观测分析。

(4)本实用新型提供的多功能原位力学测试装置可以进行器件级膜层力学性能的测试分析；而常规的刮痕测试技术难以实现器件中的工艺层间的结合力分析。本实用新型提出了利用聚焦离子束设备对器件中要分析的膜层(包括底层工艺层)进行剥层和测试模块的图案化，从而实现对器件中的膜层间结合力的测试分析；另外也可以实现半导体器件的特定膜层的力学性能的测试(如断裂强度、弹性模量的测试等)。

(5)本实用新型提供的多功能原位力学测试装置，可以用于块材、线材和多层薄膜的力学性能测试，如，膜层结合力的测试和纳米切割等测试。

(6)本实用新型提供的多功能原位力学测试装置，测试的力学性能包括但不限于硬度、弹性模量、断裂强度、膜层界面结合力等。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1示出了本实用新型实施方式提供的原位力学性能测试装置示意图；

图2示出了本实用新型实施方式提供的另一种原位力学性能测试装置示意图；

图3示出了本实用新型实施方式提供的另一种原位力学性能测试装置示意图；

图4示出了本实用新型实施方式提供的另一种原位力学性能测试装置示意图；

图5示出了本实用新型实施方式中所涉及的不同的测试探头示意图；

图中，100-底座；101-连接口；102-连接头；200-第一连接杆；300- 第二连接杆；301-第一压力传感器；310-旋转组件；400-第三连接杆；401- 第二压力传感器；500-测试探头；连接部-510；测试部-520。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本实用新型的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是，本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本实用新型的保护范围并不限于下面公开的具体实施例的限制。

基于上述内容，下面参照图描述根据本实用新型一些实施例的多功能原位力学测试装置。

本实用新型的实施例提供一种多功能原位力学测试装置，如图1所示，包括底座100、至少两个连接杆、测试探头500、控制系统以及压力测试系统；

所述底座100用于与材料分析测试设备密封连接；

所述连接杆之间相互连接，得到连接体，所述连接体的一端与所述底座100连接，另一端与所述测试探头500连接；

所述控制系统控制不同所述连接杆的运动；

所述压力测试系统用于监测和控制所述测试探头500的施加应力。

本实用新型提供的多功能原位力学测试装置可以很好集成到市场上现有材料分析测试设备如SEM和FIB设备上，其方式可以是通过SEM、FIB 上现有的接口直接插入，然后进行真空密封实现系统集成；在不使用的时候可以抽出，实现即用即插，不会对SEM和FIB正常使用造成影响。

本实用新型中，底座100用于实现该装置和SEM/FIB腔体的真空连接，两者之间的连接可以根据不同厂商、不同型号的SEM/FIB设备的接口对应设计。

进一步地，所述底座100与材料分析测试设备的外部接口密封连接；

所述底座100设置有密封件和固定所述底座100与材料分析测试设备的固定件。

密封件是为了底座100插入材料分析测试设备后，保持材料分析测试设备测试腔中的真空环境。密封件的形状可根据待密封部位的情况进行相应设计。如密封件可以为密封圈、密封套等。本实用新型中，密封件是一个广义的含义，可以是指一个密封件，也可以指多个密封件；可以指单一的密封件，也可以指密封组件。

固定件是将底座100与材料分析测试设备固定在一起。固定件根据固定的需求可选用现有的固定部件，如可以为法兰。本实用新型中，固定件是一个广义的含义，可以是指一个固定件，也可以指多个固定件；可以指单一的固定件，也可以指固定组件。

对于商业化的SEM和FIB设备，通常外部有多个接口。本实用新型的多功能原位力学测试装置可以利用这些接口插入，以便实现和SEM/FIB 的高度集成。

本实用新型提供的多功能原位力学测试装置可实现施加应力不同方向的调整，一方面可以通过调整多功能原位力学测试装置的测试探头500 的位置；另一方面还可以调整材料分析测试设备的样品台的倾转；从而实现不同方向的力学测试分析。

本实用新型中，底座100一般设置在材料分析测试设备外部接口的外面，底座100内部一般可以放置驱动电机及其相关的连接线路。底座100 靠近连接管的部分或底座100与连接杆之间的部分可以设置用于与材料分析测试设备的外部接口密封连接的连接口101。

基于上述内容，进一步地，所述底座100用于与材料分析测试设备密封连接的连接口101设置在所述底座100与所述连接体之间；

所述材料分析测试设备为FIB或SEM。

本实用新型中，所述控制系统包括位移传感器、驱动电机、控制软件；

每个所述连接杆设置一个所述位移传感器；

所述控制系统通过所述位移传感器来控制不同连接杆的运动。

本实用新型中，控制系统是一个广义的含义，控制系统可以包括至少一个位移传感器、至少一个驱动电机和至少一个控制软件；当然，位移传感器一般设置在每个连接杆上，整个控制系统可以设置一个驱动电机，也可以设置多个驱动电机，而若是设置多个驱动电机，驱动电机可以单独分散形式存在，也可以集成在一起使用；若是一个电机，相应的布线按本领域常见的布线方式布线即可。同样地，控制软件可以单独存在，也可以嵌入其他软件或几种软件集合在一个软件上使用。

控制系统可以控制不同的部件，如控制系统可以控制连接杆杆体的伸缩，或者说控制连接杆杆体的位移；也可以控制连接杆与底座100之间连接部分的位移，从而控制连接杆转向不同的方向；也可以控制不同连接杆的运动。

本实用新型中，连接杆是一个广义的含义，可以是指一个连接杆，也可以指多个连接杆；可以指单一的连接杆，也可以指连接杆组件。本实用新型中，连接杆可设置多种模式，如可以为自动伸缩的伸缩杆，通过控制系统控制伸缩杆的运动来实现调整测试探头500位置的目的；又如，连接杆可以为滑动连接杆组件，一个滑动组件上设置有滑槽，另一个连接杆可以控制在滑槽中滑动；等等。

在一些可能的实施方式中，如图1-图4所示，所述连接杆至少一个为可伸缩杆，所述控制软件通过位移传感器和驱动电机控制所述伸缩杆的伸缩运动。

如不同的实施方式中，可以有一个连接杆为可伸缩杆，也可以有两个连接杆为可伸缩杆，也可以有三个连接杆为可伸缩杆，等等。

在一些可能的实施方式中，所述连接杆均为可伸缩杆，所述控制软件通过位移传感器和驱动电机控制所述伸缩杆的伸缩运动。

本实用新型中，控制软件可以至少控制一个伸缩杆的伸缩运动，以通过控制各个连接杆来使得测试探头500到达特定的位置，为后续检测的进行提供良好的基础。

可伸缩杆一方面用于实现测试分析时将测试探头500的插入分析位置，以便实现原位SEM/FIB观测力学测试分析过程；另一方面用于测试完成时将测试探头500抽出，避免和FIB/SEM的样品台的碰撞。

控制系统的软件一般为数字化控制系统软件。

驱动系统提供用于应力测试时测试探头500的推进，测试探头500可以进行纳米刮痕测试、纳米界面剥离测试、纳米切割的测试分析等。

进一步地，所述压力测试系统包括压力传感器、应力测量软件。

压力测试系统用于实现应力测试时加载应力的控制和监测。

应力施加的速度和应力大小可以通过压力测试系统以及上述的控制系统同时控制；也可以是单独设置压力测试系统以及与压力测试系统配套的控制系统，如可以包括高精度压力传感器、高精度位移传感器、高精度驱动电机、高精度数字化控制系统软件以及应力测试软件。

上述内容中，应力测试软件可以单独存在，也可以嵌入相应的控制软件中使用。

本实用新型不同实施方式中，压力测试系统的压力传感器可以设置在与测试探头500连接的连接杆一端的位置。当然，不同方向的应力检测可以在不同方向上的连接杆的一端设置。一般来说，压力测试系统的压力传感器设置靠近测试探头500的连接杆一端的位置，这样能更精确的检测测试探头500施加的压力。

本实用新型中，至少两个连接杆可以为2个连接杆，也可以为3个连接杆、4个连接杆、5个连接杆、6个连接杆等等。即在连接杆与底座100 之间设置多个连接杆，通过连接杆之间的协同配合，能更好的调控测试探头500的位置。

在一些可能的实施方式中，如图1-图4所示，所述连接体包括依次连接的第一连接杆200、第二连接杆300和第三连接杆400；

所述第一连接杆200与所述底座100的连接头102连接。

该实施方式中，设置了3个连接杆，连接杆之间可以通过设置不同的方向来调控测试探头500的位置。本实用新型中三个连接杆的运动方向可以根据需求设置多种类的运动方向。

连接杆之间有连接件或旋转组件连接，第一连接杆200与底座100连接的连接头102可以设置为万向旋转接头，控制系统控制万向旋转接头的运动以及带动的第一连接杆200不同方向上的运动。

在一些可能的实施方式中，所述第一连接杆200和底座100之间设置有旋转组件，和/或

所述第二连接杆300与所述第三连接杆400之间设置有旋转组件；

所述旋转组件由旋转控制系统控制，所述旋转组件通过所述旋转控制系统控制在360°范围内旋转。

在一些可能的实施方式中，所述第一连接杆200设置为沿X/Y/Z方向运动；

所述第二连接杆300设置为沿Z方向运动；

所述第三连接杆400设置为沿X方向运动。

本实用新型中，第一连接杆200的位移控制和驱动系统的精度不需要很高，最大驱动位移是几十厘米的范围，位移精度为毫米级，主要用于测试时测试系统插入SEM/FIB腔体和完成测试后从SEM/FIB腔体抽回测试系统。这样可以不会影响主体设备的操作和使用；另外是能够将测试探头移动到靠近样品测试区附近。

此外，后续的精确定位测试可以通过第一连接杆200的高精度位移调控或其他连接杆的调控或与其他连接杆的协同配合实现，当然，每个调控方案中，均可与SEM/FIB样品台交互调整实现。

在一些可能的实施方式中，多功能原位力学测试装置设置至少两个驱动电机，驱动电机分别为多功能原位力学测试装置不同连接杆运动提供动力源。

比如，多功能原位力学测试装置设置两个驱动电机，第一连接杆200 单独设置一个驱动电机，该驱动电机精度要求较低，毫米到厘米级；第二连接杆300和第三连接杆400共用一个驱动电机，该驱动电机的精度较高，微米或纳米级。

比如，多功能原位力学测试装置设置三个驱动电机，第一连接杆200 单独设置一个驱动电机，该驱动电机精度要求较低，毫米到厘米级；第二连接杆300和第三连接杆400分别设置一个驱动电机，这两个驱动电机的精度较高，微米或纳米级。

本实用新型中，底座100为不动端，其底座100中的万向旋转接头为可转动接头，转动的范围可根据实际情况设置，如可以在180度内、150 度内、90度内等范围内转动，相应地，万向旋转接头与第一连接杆200相对的固定连接，因此，万向旋转接头转动的同时带动第一连接杆200以及其他连接杆和测试探头500的转动。当转动到一定位置后，第一连接杆200 通过自身的伸缩功能沿其杆体方向进行伸长或缩短运动；同样地，第一连接杆200与第二连接杆300相对固定的连接，第一连接杆200运动的同时会带动其他连接杆以及测试探头500进行相应的运动；第一连接杆200运动到一定位置后，第一连接杆200停止运动，第二连接杆300沿竖直方向运动，相应地，第二连接杆300运动的同时会带动第三连接杆400以及测试探头500进行相应的运动；第二连接杆300运动到一定位置后，第二连接杆300停止运动，第三连接杆400沿水平方向运动，相应地，第三连接杆400运动的同时会带动测试探头500进行相应的运动；至测试探头500移动到特定位置。

当然，上述内容中，不同连接杆的运动先后顺序可根据实际情况调整，如可以是第一连接杆200运动后，第三连接杆400先运动，然后第二连接杆300再运动；也可以是第三连接杆400运动后，第一连接杆200先运动，然后第二连接杆300再运动；等等。

上述连接杆的运动通过驱动电机、位移传感器以及控制软件实现，驱动电机为高精度驱动电机、位移传感器为高精度位移传感器，控制软件为高精度数字化控制系统软件。

比如，在一些实施方式中，第一连接杆200与位移控制和驱动系统连接，可在X/Y/Z方向运动，或X/Z方向运动，以便调节测试系统的高度，避免和FIB/SEM的样品台的碰撞。该驱动电机的精度为毫米到厘米级即可。

第二连接杆300可在Z方向高精度位移，也是通过位移、压力传感器以及驱动系统控制，主要用于实现应力测试时的方向加载时测试探头的上下移动控制和加载应力的控制和监测。高精度的Z向步进电机或其他高精度电机控制，以便实现在测试探头在测试过程中Z方向的精确定位。驱动系统负责提供用于机械应力测试时Z方向压应力，进行纳米压痕测试、硬度、弹性模量等力学测试。应力施加的速度和应力大小可以通过传感器和驱动系统进行控制。

第三连接杆400与第二连接杆300相接的地方设置高精度驱动电机，实现纳米级到亚纳米级的移动和定位精度。用于机械应力测试时，实现测试探头500的前后左右移动，以便和SEM/FIB样品台的互动保证测试探头500精确定位到待测试位置。驱动系统负责提供用于机械应力测试时 X方向推应力，进行纳米刮痕测试、纳米界面剥离测试、硬度弹性模量的测试。应力施加的速度和应力大小可以通过位移传感器和压力传感器和控制系统进行控制。

本实用新型的不同实施方式中，第一连接杆200、第二连接杆300、第三连接杆400可以为气动伸缩杆，也可以是螺纹伸缩杆或其他种类的伸缩杆，通过位移传感器对每个连接杆的监控，来获得每个连接杆运动的位置。伸缩杆伸缩情况如图3和图4所示。

位移传感器分别设置在伸缩杆以及万向旋转接头上，驱动电机和控制软件可以为一个，也可以为多个。驱动电机分别驱动万向旋转接头运动和第一连接杆200的伸缩运动，同时，万向旋转接头运动的同时可以带动第一连接杆200的运动，因为万向旋转接头与连接杆连接，万向旋转连接机构运动的同时带动第一连接杆200以及其他连接杆和测试探头500运动。即本实用新型中不同连接杆之间通过控制软件对驱动电机的控制实现各自相对的运动。

本实用新型中，连接杆之间的运动方式并不限于上述方式，还可以参照自动机械手臂设置。

在一些可能的实施方式中，所述压力传感器分别设置在所述第二连接杆300与所述第三连接杆400之间、所述第三连接杆400与所述测试探头 500之间，即第一压力传感器301和第二压力传感器401。

本实用新型中，压力传感器用于感测压力来判断连接杆施用的应力，为应力性能方面的检测以及施加提供良好的基础。

在一些可能的实施方式中，如图2-图4所示，所述第二连接杆与所述第三连接杆之间设置有旋转组件310，所述旋转组件由旋转控制系统控制，所述第三连接杆通过所述旋转控制系统控制在360°范围内旋转。

本实用新型中的旋转组件310是一个广义的含义，既可以指一个旋转体，也可以指多个部件构成的旋转组件。旋转组件310可以为现有的各种类型，如齿轮式旋转组件，转盘马达旋转组件、履带马达旋转组件等。

旋转组件310的转动由旋转控制系统控制，旋转组件310可以带动第三连接杆在360°范围内旋转。该处的旋转范围，既可以指平面范围内，也可以指立体范围内；该处的旋转范围，既可以是360°范围内任一数值的范围，也可以是360°范围内的范围。比如，在一些实施例方式中，旋转组件310可以带动第三连接杆在60°范围内旋转；在一些实施例方式中，旋转组件310可以带动第三连接杆在90°范围内旋转；在一些实施例方式中，旋转组件310可以带动第三连接杆在120°范围内旋转；在一些实施例方式中，旋转组件310可以带动第三连接杆在180°范围内旋转，在一些实施例方式中，旋转组件310可以带动第三连接杆在270°范围内旋转，在一些实施例方式中，旋转组件310可以带动第三连接杆在360°范围内旋转，等等。

本实用新型中，通过设置旋转组件310，一方面可以在测试过程中控制测试探头500的位置；另一方面，在测试完毕后，可以通过旋转组件310 旋转测试探头500使得测试探头500收纳于设备(如SEM或FIB设备)的靠近内壁的部位，如图4所示。

进一步地，如图5所示，所述测试探头500包括连接部510和测试部 520，所述测试部520通过所述连接部510与所述连接杆连接；

所述测试部520选自以下中的任一种形状：

弧形、平面、锥形、三角形、尖角、刃形。

本实用新型中，测试探头500与连接杆可拆卸连接，测试探头500可根据测试目的的不同替换不同的测试探头500。本实用新型中的测试探头 500测试部位置可根据需求的不同设置在连接部不同的位置，如可以设置在连接部的自由端，也可以设置在连接部靠近自由端的上面或下面或其他角度等。

可替换测试探头500的设计是根据不同的测试目的而设计的。

可替换测试探头500及其连接设计会保证测试探头500在测试过程中有足够的刚性。

可替换测试探头500及其连接设计会保证测试探头500替换过程中的有足够的可操作性。

图5所示的是本实用新型中提出的典型的测试探头500，图1中的测试探头500可由图5中的任一种测试探头500替换，对于不同的测试薄膜材料和测试目的，可以有不同的测试探头500。其中，弧形测试探头(2a)是用于FIB图案化的圆形柱状测试模块的应力测试(如后续原位纳米图案化界面剥离测试方案的说明)；平面测试探头(2b)是用于FIB图案化的四方体柱状形测试模块的应力测试(如后续原位纳米图案化界面剥离测试方案的说明)；锥形测试探头(2c)是用于那些膜层硬度的较小的纳米刮痕测试(如后续原位纳米刮痕测试方案的说明)；尖角形测试探头 (2d)是用于那些膜层硬度的较大的纳米刮痕测试(如后续原位纳米刮痕测试方案的说明)；纳米压痕测试探头(2e)是用于纳米压痕测试。

本实用新型的实施例还提供了一种多功能原位力学测试设备，包括上述的多功能原位力学测试装置和材料分析测试设备，所述多功能原位力学测试装置与所述材料分析测试设备的外部接口真空密封连接；

所述材料分析测试设备为FIB或SEM。

本实用新型实施例提供的多功能原位力学测试设备可用于各种纳米器件的膜层力学性能方面的测试，如下：

1.原位纳米刮痕测试(非器件级)；

2.原位纳米刮痕测试(器件级)；

3.原位纳米剥离测试(非器件级)；

4.原位纳米剥离测试(器件级)；

5.线材原位切割测试；

6.纳米膜层的力学性能的原位测试(非器件级)；

7.纳米膜层的力学性能的原位测试(器件级)。

不同的检测可采用不同的测试探头500完成。

相比于目前市场上的测试设备和技术，本实用新型提出的多功能原位力学测试装置具有以下的优点：

可以和市场上的扫描电镜和聚焦离子束设备相匹配。

此装置在不使用的时候可以抽出，不会对SEM和FIB正常使用造成影响。

可以利用扫描电镜的高分辨率成像，实现纳米级精确定位和观测分析。

可以利用聚焦离子束设备对要分析的膜层进行剥层，测试模块的精确切割和定位，保证后面的力学测试的纳米级定位和分析。

所有测试都是在高真空的环境下进行的，可以避免膜层在测试过程中因环境的影响造成对测试结果的偏差。

可以利用扫描电镜的高分辨成像，实现纳米材料和结构的原位力学测试和观测的实验分析目的，观察材料在测试和失效过程中的动态的应力和微观结构的变化。

目前市场上也有一些商业化的基于电子显微镜的应力测试系统，但基本上都是分立式的，需要单独安装到SEM或者FIB的样品台上进行测试，测试完毕需要从SEM样品台上拆卸掉，这样对SEM/FIB的正常使用势必会造成影响。

本实用新型提出的多功能原位力学测试装置采用侧壁插入，随时可抽回非测试位置，因此不会对SEM/FIB的使用造成影响，整个测试效率高，系统维护简单。

本实用新型提出的原位力学测试的实验设备具有以下特点：

和商业化的SEM/FIB设备高度集成，并且不影响SEM/FIB的操作；

提出了基于FIB图案化的测试方案，实现器件级工艺层的应力测试，为纳米/微米级别的应力测试提供了新的解决方案；

多功能原位力学测试的解决方案；

和SEM分析相结合，实现材料力学测试过程中的形貌和微观结构的原位分析；

测试效率成功率高。

本实用新型中所述的驱动电机如步进电机，位移传感器和压力传感器均采用商业化的产品。

需要说明的是，本实用新型中，材料分析测试设备为FIB(focus ion beam,聚焦离子束)或SEM(Scanning electron microscopy，扫描电子显微镜)，既可以指带有SEM功能的FIB或单独的FIB，也可以指带有FIB功能的SEM或单独的SEM。

在本实用新型中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定。术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，或虚拟连接；“相连”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或单元必须具有特定的方向、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本实用新型的限制。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述仅为本实用新型的一些示例实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种多功能原位力学测试装置，其特征在于，包括底座、至少两个连接杆、测试探头、控制系统以及压力测试系统；

所述底座用于与材料分析测试设备密封连接；

所述连接杆之间相互连接，得到连接体，所述连接体的一端与所述底座连接，另一端与所述测试探头连接；

所述控制系统控制不同所述连接杆的运动；

所述压力测试系统用于监测和控制所述测试探头的施加应力；

所述压力测试系统包括压力传感器、应力测量软件。

2.根据权利要求1所述的多功能原位力学测试装置，其特征在于，所述控制系统包括位移传感器、驱动电机、控制软件；

每个所述连接杆设置一个所述位移传感器；

所述控制系统通过所述位移传感器来控制不同连接杆的运动。

3.根据权利要求2所述的多功能原位力学测试装置，其特征在于，所述多功能原位力学测试装置设置至少两个驱动电机，所述驱动电机分别为所述多功能原位力学测试装置不同连接杆运动提供动力源。

4.根据权利要求2所述的多功能原位力学测试装置，其特征在于，所述连接杆至少一个为可伸缩杆；

所述控制软件通过位移传感器和驱动电机控制所述伸缩杆的伸缩运动。

5.根据权利要求4所述的多功能原位力学测试装置，其特征在于，所述连接杆均为可伸缩杆。

6.根据权利要求1所述的多功能原位力学测试装置，其特征在于，所述底座与所述材料分析测试设备的外部接口密封连接；

所述底座设置有密封件和固定所述底座与所述材料分析测试设备的固定件；

所述材料分析测试设备为聚焦离子束或扫描电子显微镜。

7.根据权利要求6所述的多功能原位力学测试装置，其特征在于，所述底座用于与所述材料分析测试设备密封连接的连接口设置在所述底座与所述连接体之间。

8.根据权利要求1所述的多功能原位力学测试装置，其特征在于，所述测试探头包括连接部和测试部，所述测试部通过所述连接部与所述连接杆连接；

所述测试部选自以下中的任一种形状：

弧形、平面、锥形、三角形、尖角、刃形。

9.根据权利要求1-8任一项所述的多功能原位力学测试装置，其特征在于，所述连接体包括依次连接的第一连接杆、第二连接杆和第三连接杆；

所述第一连接杆与所述底座的连接头连接。

10.根据权利要求9所述的多功能原位力学测试装置，其特征在于，所述压力传感器分别设置在所述第二连接杆与所述第三连接杆之间、所述第三连接杆与所述测试探头之间。

11.根据权利要求10所述的多功能原位力学测试装置，其特征在于，所述第一连接杆和底座之间设置有旋转组件，和/或

所述第二连接杆与所述第三连接杆之间设置有旋转组件；

所述旋转组件由旋转控制系统控制，所述旋转组件通过所述旋转控制系统控制在360°范围内旋转。

12.根据权利要求10所述的多功能原位力学测试装置，其特征在于，所述第一连接杆设置为沿X/Y/Z方向运动；

所述第二连接杆设置为沿Z方向运动；

所述第三连接杆设置为沿X方向运动。

13.一种多功能原位力学测试设备，其特征在于，包括权利要求1-12任一项所述的多功能原位力学测试装置和材料分析测试设备，所述多功能原位力学测试装置与所述材料分析测试设备的外部接口真空密封连接；

所述材料分析测试设备为聚焦离子束或扫描电子显微镜。

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