[发明专利]一种测量薄膜应变与热导率的装置及方法

权利要求书

1.一种测量薄膜应变与热导率的装置，其特征在于，包括一个底座(3)，一个设置在底座(3)上的外壳(2)，所述底座(3)上设有加载端(6)，镀有薄膜的基底(5)放置在加载端(6)并与外壳(2)上部的简支固定端(4)相接，在加载端(6)下方设有一个精密导杆(7)，镀有薄膜的基底(5)上溅射有测试电极和一根金属条，测试电极与外部具有锁相放大模块的检测系统相连，并连接至计算机；

通过精密导杆(7)的旋进位移S使得镀有薄膜的基底(5)上的薄膜产生应变，通过控制进给位移S来控制薄膜应变的大小，通过向测试电极通入周期性电流I_ω，计算机读取从测试电极采集的3ω谐波的成分U_3ω的大小得到薄膜的热导率；

所述外壳(2)为带有圆孔的扣盖状，简支固定端(4)在圆孔内沿底部呈凸起状；所述加载端为圆盘状，在盘面顶部周边设有呈凸起的加载圆环半球(1)。

2.如权利要求1所述的一种测量薄膜应变与热导率的装置，其特征在于，所述加载圆环半球(1)与镀有薄膜的基底(5)接触为线接触，且接触面在同一个水平面内。

3.如权利要求1所述的一种测量薄膜应变与热导率的装置，其特征在于，所述薄膜表面按照3ω测薄膜导热率方法溅射四个焊盘，采用MEMS工艺将一根几何尺度为微米级的金属条制作在薄膜表面，四个焊盘连接金属条，所述焊盘包括两个电流焊盘和两个电压焊盘作为测试电极，其形状为两对电流正负极端子和电压正负极端子按照π形分布在金属条端部。

4.如权利要求1所述的一种测量薄膜应变与热导率的装置，其特征在于，所述加载端(6)的最大压入深度与薄膜的厚度相同。

5.如权利要求4所述的一种测量薄膜应变与热导率的装置，其特征在于，精密导杆(7)的螺距精确度与镀有的薄膜厚度的比值不大于10^-2。

6.一种利用如权利要求1所述装置测量薄膜应变与热导率的方法，其特征在于，包括下述步骤：

1)在半径是R的圆形基底上均匀的沉积一层厚度是t、杨氏模量E、泊松比为μ的待测薄膜；

2)在小于半径R₀的镀有薄膜的基底表面溅射测试电极，同时采用MEMS工艺将一根几何尺度为微米级的金属条制作在薄膜表面，其中，R₀＜R，R₀为加载端上的加载圆环半球到加载端圆心的距离；

3)通过精密导杆施加一个位移S，对应到加载端的加载圆环半球与简支固定端在薄膜上产生一个相应的周向应变ε_θ，即为待测材料的应变；

4)将步骤2)已经制备好的基底放在装置加载端的加载圆环半球表面，对测试电极的两个电流焊盘通入周期性电流I_ω，将电压测试电极接到外部具有锁相放大模块的检测电路中，利用计算机直接读取采集的数据，待数据稳定后，记录此时3ω谐波的成分U_3ω的大小；

5)通过控制进给位移S，来控制应变的大小，以应变为自变量，通过计算机读取的3ω谐波的成分U_3ω的大小得到薄膜的热导率k。

7.根据权利要求6所述的测量薄膜应变与热导率的方法，其特征在于，所述得到应变与位移S有如下的关系：

式中t是薄膜的厚度、μ为泊松比，R₀为加载端上的加载圆环半球到加载端圆心的距离，R为加载圆环半球与基底接触轮廓的半径，S为精密导杆的位移。

8.根据权利要求6所述的测量薄膜应变与热导率的方法，其特征在于，所述薄膜的热导率k与谐波的成分U_3ω通过下式得到：

式中，k为热导率，P/l分别表示金属条加热膜单位长度的加热功率，ΔT表示温度波动，U₀表示基波电压，R’₀为金属条初始电阻值，dR’/dT表示电阻随温度的变化率，U_3ω表示含有3ω谐波的电压。