[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

说明书

技术领域

本发明属于精密机械领域，特别涉及显微环境下薄膜加载及薄膜变形检测方法。

背景技术

目前薄膜材料的检测技术主要有压痕法(indentation)、薄膜弯曲法(film curving or film bending)、鼓膜法(bulge test)、微结构法(microstructure testing)、单轴拉伸法(uniaxial tensile testing)等。其中单轴拉伸法是测量薄膜弹性模量、泊松比、屈服强度和断裂强度等力学特性的最直接方法。目前，在基于光学显微镜、电子束扫描显微镜及原子力扫描显微镜系统主要有以下几种微拉伸装置：(1)基于高精度应变测量的干涉应变计法结合压电陶瓷单向驱动微拉伸装置；(2)基于双视场显微技术结合压电陶瓷单向驱动微拉伸装置；(3)原子力或电子束扫描显微环境下单轴单向微拉伸加载装置。

专利申请号200510086228.8为中国专利申请，公开了一种扫描显微环境下薄膜拉伸加载装置及薄膜变形测量方法，该装置采用压电陶瓷单向驱动拉伸薄膜试样，并可结合双曝光数字散斑技术、图像相关技术等对微尺度薄膜的变形进行测量分析。

Sharpe等人设计的基于高精度应变测量的干涉应变计法结合压电陶瓷单向驱动微拉伸装置，采用压电陶瓷进行单向拉伸，空气轴承调整对中度并减小摩擦，激光干涉测量标记点之间的薄膜变形，力传感器测量载荷，试样夹持可以采取粘接也可用静电夹持(Sharpe W N，Turner K T，Edwards RL，Tensile testing of ploysilicon.Experimental Mechanics，1999，39(3)：210-216)。

Ogawa等人设计的基于双视场显微技术结合压电陶瓷单向驱动微拉伸装置，用压电陶瓷提供驱动，力传感器测量载荷，另外采用双视场显微镜测量位移，并设计薄片框架调整对中度(Ogawa H，Suzuki S，Kaneko S，et al.Tensile testing of microfabricated thin films.  MicrosystemTechnologies，1997(3)：117-121)。

Haque等人设计的原子力或电子束扫描显微环境下单轴单向微拉伸加载装置，避免了加持、对中两个大难题，同时利用对与试样端部连接的薄片的三点弯曲变形测量来获得薄膜的载荷值，薄膜面内变形由AFM、SEM通过数字图像相关法(DIC)测量(Haque M A，Saif M T A，In-situ tensile testingof nano-scale specimens in SEM and TEM，Experimental mechanics，2001，123-128)。

干涉应变计法结合压电陶瓷单向驱动微拉伸装置的缺点在于，只能得到激光干涉测量标记点之间的平均薄膜变形信息，而不能得到所感兴趣的局部微区域的具体变形情况；随着拉伸变形的扩大，标记点会跑到探测区域外。

基于双视场显微技术结合压电陶瓷单向驱动微拉伸装置的缺点在于，只能得到两个显微视场之间试件的平均变形信息，而不能得到所感兴趣的局部微区域的具体变形情况，只适合研究试件总体平均的力学性能。另外，其结构及检测设计相对复杂；也存在变形较大条件下观测标记点跑出显微视场外的问题。

原子力或电子束扫描显微环境下单轴单向微拉伸加载装置的缺点在于，集成一体化的试件加工和制备相当困难，能够适合这种集成结构及微加工的材料非常有限，应用范围非常局限，另外实验操作难度很大。

压电陶瓷单向驱动拉伸结构最突出的缺点在于，对薄膜试样的拉伸只有一个方向，试样上的被观测区域在拉伸过程中向一个方向移动，由于高倍显微扫描能够观察的区域非常小，随着拉伸变形的扩大，需要被观测的会移动到探测区域外，使测量过程难以连续、定量测量。

发明内容

本发明的目的在于克服压电陶瓷单向驱动结构在测量中试样被观测区移出探测区的问题，提供一种压电陶瓷双向驱动装置，保证被观测区在测量过程中始终处于探测区内(对光学显微镜来说就是视野内)。同时还提供一种使用本发明装置进行薄膜微变形测量的方法。

本发明的装置，其结构特征如下：