[发明专利]薄膜单轴双向微拉伸装置及薄膜变形的测量方法

权利要求书

1.一种薄膜单轴双向微拉伸装置，其特征在于：该装置含有整体结构左右对称的支架(1)，固定在支架(1)上的、相互平行的四根滑轨(2)，可调滑块(3)，滑块(4)，上面粘贴有应变片(5)的两个力传感臂(6)，两个载物台(7)，两块压电陶瓷(8)、两个限位弹簧(9)；所述的四根滑轨(2)呈上下两层排列，每层的两根滑轨(2)位于同一水平面，可调滑块(3)套装在前述两层滑轨(2)的上层滑轨(2)上，并可沿滑轨(2)左右移动，滑块(4)则套装在两层滑轨(2)的下层滑轨(2)上，也可沿滑轨(2)左右移动；从水平方向看，装置可以分上下两层，在上层结构当中，由上层滑轨(2)提供支撑，可调滑块(3)与一侧支架壁(10)之间有一块压电陶瓷(8)，该压电陶瓷(8)的一个端面与可调滑块(3)紧密接触，另一端面与支架壁(10)之间通过导座(12)连接，并与导座(12)紧密接触，螺旋测微头(13)穿过支架壁(10)、导座(12)上的导孔(11)并顶住压电陶瓷(8)与导座(12)接触的端面；在下层结构当中，在与前述支架壁(10)相对的另一侧的支架壁(10)和滑块(4)之间，也有一块压电陶瓷(8)，该压电陶瓷(8)的一个端面与滑块(4)紧密接触，另一端面与支架壁(10)之间通过连接座(14)连接，并与连接座(14)紧密接触；在与压电陶瓷(8)相接的可调滑块(3)的另一侧面，有一个水平伸出的一端顶在可调滑块(3)上、另一端通过连接到支架壁(10)上的弹簧座(15)的限位弹簧(9)；在与压电陶瓷(8)相接触的滑块(4)的另一侧面，也有一个水平伸出的一端顶在滑块(4)上、另一端通过与支架壁(10)相接的弹簧座(15)的限位弹簧(9)；所述的导座(12)、连接座(14)与支架壁(10)相固接，弹簧座(15)与支架壁(10)通过螺纹连接；两个力传感臂(6)左右对称，处于同一平面上，分别与可调滑块(3)及滑块(4)相固接并水平伸出；两载物台(7)分别连接到左、右两个力传感臂(6)伸出端的头部凹座(s1)中，并相对水平伸出且端部之间有一定间距，载物台(7)一端是万向球(16)，另一端是载物板(s2)，万向球(16)可通过与力传感臂(6)相连接的锁死结构(17)固定；压电陶瓷(8)与驱动控制系统相连接，应变片(5)组成合适桥路与应变测量系统连接。

2.根据权利要求1所述的薄膜单轴双向微拉伸装置，其特征在于：所述的力传感臂(6)，在其与可调滑块(3)或滑块(4)的连接端及与载物台(7)的凹座(s1)之间，沿力传感臂(6)的纵向方向有两处位置开有关于纵轴线对称的圆孔状的槽(s3)。

3.根据权利要求2所述的薄膜单轴双向微拉伸装置，其特征在于：左右两个力传感臂(6)是用于大量程测量的力传感臂(6)或用于小量程微力测量的力传感臂(6)，用于大量程力测量的力传感臂(6)的槽(s3)的直径较小，用于大量程力测量的力传感臂(6)上粘贴的应变片(5)是金属应变片，用于小量程微力测量的力传感臂(6)上粘贴的应变片(5)是半导体应变片。

4.根据权利要求3所述的薄膜单轴双向微拉伸装置，其特征在于：四根滑轨(2)的横截面的中心点构成一矩形。

5.根据权利要求4所述的薄膜单轴双向微拉伸装置，其特征在于：所述的支架(1)上含有三个能使装置总体处于水平的高度调节旋钮(18)。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述的锁死结构(17)是一个位于力传感臂(6)前端并压住载物台(7)的连有万向球(16)一端的盖板(19)，盖板(19)压在万向球(16)上，一端和力传感臂(6)通过销钉(20)连接，另一端通过螺栓(21)与力传感臂(6)固定。

7.根据权利要求6所述的薄膜单轴双向微拉伸装置，其特征在于：支架(1)呈U型，在两支架壁(10)之间有用于保证支架(1)刚度的支撑杆(22)。

8.一种利用如权利要求1或3所述装置测量薄膜变形的方法，其特征在于该方法按如下步骤进行：

1)选择具有合适量程的力传感臂(6)安装到拉伸装置上，置于高倍光学或原子力显微镜系统下，调节好左、右载物台(7)的初始间距并使其处于同一水平面内，且拉伸方向与载物台(7)轴线重合，然后将薄膜试件调节到其轴线与左、右载物台(7)拉伸轴线重合并固定，连接好压电陶瓷(8)的驱动系统、显微图像实时采集系统、应变片(5)的电桥应变测量系统。

2)通过压电陶瓷(8)的驱动系统对压电陶瓷(8)施加电压，实现对薄膜试件进行连续加载，同时通过显微图像实时采集系统记录薄膜检测区域的序列变形图像，并记录在加载过程中的应变片(5)的输出。

3)对得到的序列显微图像进行处理，提取薄膜材料表面的显微结构特征信息以用于分析这些表面微观结构特征的演化规律，同时对应变片(5)的应变输出进行处理，得到薄膜材料加载过程中的有关力学特征及参数。