[发明专利]一种薄膜力学性能实时测试装置

说明书

技术领域

本发明结合光测技术和鼓膜法原理，提出一种薄膜力学性能实时测试装置，属于光测力学、材料力学性能测试技术领域。

背景技术

薄膜是一种具有优良力、光、热、电性能的半导体材料，为微纳机电系统器件的集成化和微型化创造了条件。常被用作发光二极管、场效应晶体管、保护层、太阳能电池等场合。线性一维和平面二维悬空薄膜结构，是微纳机电系统的重要组成部分，检测和改善薄膜材料的弹性模量和残余应力等力学性能，是提高薄膜器件稳定性与可靠性的关键。

薄膜力学性能的测试方法主要有拉伸法、纳米压痕法、鼓膜法等，其中拉伸法的缺点是难以克服夹持端的影响，薄膜在安装过程中易损坏；纳米压痕法难以克服基底对薄膜力学性能的影响，很难得到准确的测试结果；鼓膜法原理简单，测量精度高，克服了以上两种方法的缺点，且可以同时进行多参数测量，包括薄膜的弹性模量和残余应力等。

中国专利CN106198206A提出利用数字散斑相关法进行薄膜力学性能测量，测试时，需要对散斑图进行图像处理，操作复杂且有延迟，得到的挠度值与压力值对应关系不好；挠度值是由面内位移根据投影角度换算得到，测试时角度值难以精确控制；为了得到较好的散斑图，需要在薄膜表面进行喷漆处理，薄膜厚度在微米级甚至更小，涂层有可能薄膜本身的性能，上面所述的问题，此装置的测试结果准确性难以保证。

Negger等人2014年在Experimental Mechanics期刊上提出了一种微尺度的鼓膜试验方案，利用共聚焦光学显微镜结合数字图像相关法对薄膜的三维变形进行测量，存在的不足是薄膜采用微加工工艺制备，过程复杂。Berdova等人2014年在Acta Materialia期刊上提出一种顶杆式鼓膜试验方法测量纳米氧化铝薄膜的力学性能，该方法存在薄膜制备过程复杂和适用范围小的缺点。

发明内容

本发明的目的是提供一种薄膜力学性能实时测试装置。

为实现本发明目的采用的技术方案是：

本发明的优点是：

针对薄膜力学性能测试装置的现状，我们利用光测技术和鼓膜法原理，提出了一种薄膜力学性能实时测试装置。本装置适用于表面有一定反光度的弹塑性薄膜。本测试装置压力加载部分易于控制且密封性好，挠度测量部分测量精度高，数据采集与处理准确且实时性好。测试时无需对薄膜表面进行处理，测试结果更准确；应用步进电机与气缸进行压力加载，加压过程平稳、易于控制且密封性好；测试装置中多处设有多轴手动微调装置，便于快速做好测试前调整；测试装置应用迈克尔逊激光干涉原理进行挠度测量，测量精度比较高，可以测量纳米级别的挠度；采用加工有三个接口的亚克玻璃方块为压力腔，平稳加压并能准确实时的检测压力值；采用法兰盘、试件台、橡胶垫圈相配合夹持薄膜，密封性好且对测试结果准确性影响比较小；使用硅光电池串联电阻来进行干涉条纹信息提取，准确且实时性好；使用可编程器(FPGA)对反映压力的电压值和硅光电池的电压信号同时进行实时采集，压力与挠度值的对应程度高，测试结果更准确。可编程器(FPGA)控制步进电机驱动器并与上位机进行通信，测试装置操控方便，采集到的实验数据无需进行复杂的处理，便可计算出薄膜力学性能参数数值。

附图说明

图1为本发明的整体方案示意图。

图2为压力腔和薄膜夹持结构示意图。

图3为鼓膜法原理示意图。

图4为硅光电池连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图1-4进一步说明本发明的具体结构及实施方式：

一种薄膜力学性能实时测试装置，包括压力加载部分、激光挠度测量部分、薄膜夹持结构；

压力加载部分包括步进电机1、滑台3、气缸2、加压气管4、压力腔7；

步进电机1与步进电机驱动器5连接；

步进电机1输出端的滚珠丝杠固定在支座上，将滑台3贯穿在滚珠丝杠上，滑台3与气缸2活塞杆固定连接，气缸2固定在支座上，气缸2输出端通过加压气管4与压力腔7连接；

压力腔7由亚克力水晶方块制成，内部加工有第一接口22、第二接口23和第三接口24，第一接口22连接有薄膜夹持结构9，第二接口23连接有加压气管4，第三接口24连接有压力传感器6，其中压力传感器6和薄膜夹持结构9对称布置。

激光挠度测量部分包括激光器10、扩束镜11、分光棱镜12、参考平面镜16、成像光屏15、硅光电池14；

分光棱镜12第一侧面与薄膜夹持结构9对应布置，分光棱镜12 另第二侧面外布置有硅光电池14和成像光屏15；