[发明专利]一种测量薄膜应变与热导率的装置及方法

说明书

本发明公开了一种测量薄膜应变与热导率的装置及方法，装置包括一个底座，一个设置在底座上的外壳，所述底座上设有加载端，薄膜试样放置在加载端并与外壳上部的简支固定端相接，在加载端下方设有一个旋进导杆，薄膜试样通过溅射测试电极与电源相连。通过将圆形薄膜在其半径处通过精密导杆控制进给位移S，利用静力学平衡和弹性薄板的挠度理论，可以得到中间圆板的挠度方程，当半径等于R₀时，二部分的挠度值相等，通过精密螺纹行程，可以得到半径在R与R₀之间的圆板的即进给位移S的大小，进而计算出中间圆形薄膜周向应变和径向应变值，采用3ω测量方法测量薄膜的热导率，既实现了薄膜在不同应变下的热导率的测量。

技术领域

本发明涉及微机电系统MEMS器件装置，特别是一种测量薄膜应变与热导率的装置及方法。

背景技术

伴随着微机电系统MEMS技术的快速发展，各类性能优良的薄膜器件应运而生，其中，在热场下工作的MEMS器件类型越来越多，用量也越来越大，例如微型红外光源、微气体传感器、高温MEMS压力传感器，工作温度达数百甚至上千摄氏度，并存在交变温度场，这对薄膜结构与材料服役的可靠性提出更高的要求。特别在传感器领域，测量一些基本物理量时，器件难免会发生相应的形变，产生应变，薄膜的应变反应了薄膜的内部状态，是决定薄膜完整性的重要因数，也是决定器件能不能正常工作的重要因数之一，当薄膜的应变过大，可能会出现断裂、塑形变形、脱落，使薄膜损伤，进而使整个器件失去工作能力，针对半导体薄膜材料的研究表明，应变对半导体纳米材料的结构及其性质的调控作用起着至关重要的影响，例如半氟化的单层氮化镓纳米薄膜可以通过应变来实现铁磁化和反铁磁化相互转变，同时薄膜器件的热导率直接影响器件散热效率。

例如在专利(授权公告号CN 103822736 B)“一种确定周边夹紧的圆薄膜集中力下薄膜应变值的方法”(何晓婷、孙俊贻、郑周练、蔡珍红等)中，采用一个带有无摩擦平底的圆柱作为加载轴，在圆薄膜的中心处施加一个横向载荷，通过这种方法可以得到某点处的薄膜应力值，不同的半径对应不同的应力值，也就是不同的应变，但是这种方法不同半径处的应变是不相等的，这不能满足我们对应变的需求；例如在专利(授权公告号CN 102001617B)“一种柔性电子器件位移加载装置及方法”(冯雪、蒋东杰、王永)中，详细的阐述了利用直流电源、支架、导轨、弹簧等来达到需要的薄膜的应变的方法，通过控制直流电流的大小，间接得到应变的大小，这种方法得到的应变不是线性的，并且装置复杂，依旧满足不了需求。

因此研究薄膜器件中应变与材料的热导率的关系变得越来越突出，特别是薄膜材料的热导率与应变的关系，直接影响材料的使用性能，热导率对MEMS器件有着极其重要的作用和潜在的应用价值。这就需要在确定温度下，研究材料应变与热导率的关系，材料的应变必须满足测量区域内应变是相等的要求。因此，研究一种周边简支固定的圆形薄膜承受集中圆环载荷下薄膜应变与薄膜热导率的装置，使得其简单易于实现，并且理论方法成熟可靠成为目前本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种周边简支固定的圆形薄膜承受集中圆环载荷下薄膜应变与薄膜热导率的装置。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

一种测量薄膜应变与热导率的装置，包括一个底座，一个设置在底座上的外壳，所述底座上设有加载端，镀有薄膜的基底放置在加载端并与外壳上部的简支固定端相接，在加载端下方设有一个精密导杆，镀有薄膜的基底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；

通过精密导杆的旋进位移S使得镀有薄膜的基底上的薄膜产生应变，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。