[发明专利]一种电子显微镜原位力学性能测试芯片及其制作方法

说明书

本发明涉及电子显微镜原位力学性能测试领域，尤其涉及一种电子显微镜原位力学性能测试芯片及其制作方法。该芯片在单晶硅片上形成的两部分：一部分为固定端，通过固定件安装孔固定在电镜样品杆或支架上；另一部分为运动端，运动端通过与施力端连接件连接施加力的部件；固定端和运动端两部分通过相互配合的凹/凸部分相扣在一起，实现对样品载荷的施加。在双抛单晶硅片的两侧沉积氮化硅，一侧利用紫外光刻技术沉积铂电极，而后进行深硅刻蚀；另一侧进行等离子体刻蚀，先将氮化硅刻蚀出所需图形，而后利用湿法刻蚀对硅进行刻蚀，最后沉积钝化层，得到实现施加载荷和加热的电子显微镜原位力学性能测试芯片，对样品进行显微结构演化分析。

技术领域

本发明涉及电子显微镜原位力学性能测试领域，尤其涉及一种可实现施加载荷和加热的电子显微镜原位力学性能测试芯片及其制作方法。

背景技术

材料的力学性质一直是传统结构材料最重要的性能之一，传统的表征材料力学性能的方法只能提供材料力学性能好坏的判据，并不能够给出材料的变形机制，研究材料的变形机制需要对材料变形前后的显微结构进行细致的分析。但是，仅仅凭借着材料变形前后显微结构的对比，也就是只知道初始态和变形态的显微结构，并不知道其变形过程，这样得到的变形机制有失准确，因而原位观察材料的变形过程就显得尤为重要。

近年来，基于MEMS技术发展起来的电镜原位应用引起科研工作者们的广泛关注。原位技术的发展实现电镜下实时、动态的记录样品在不同环境及条件下的变化过程，扩展电池、催化、辐照、腐蚀、力学性能测试等领域实验的研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种可实现施加载荷和加热的电子显微镜原位力学性能测试芯片及其制作方法，该种原位拉伸芯片采用单晶硅片为原材料，可同时实现对样品施加载荷和加热，可以同时观察样品在受力和受热条件下的显微结构演化；还可以得到样品在拉伸过程中的载荷和位移，计算应变，得到样品的屈服强度。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种电子显微镜原位力学性能测试芯片，该芯片在单晶硅片上形成两部分：一部分为固定端，通过固定件安装孔固定在电镜样品杆或支架上；另一部分为运动端，运动端通过与施力端连接件连接施加力的部件；固定端和运动端两部分通过相互配合的凹/凸部分相扣在一起，实现对样品载荷的施加。

所述的电子显微镜原位力学性能测试芯片，固定端包括：利用焦耳热效应给样品加热的铂电极、保证样品单轴拉伸的支撑梁、读取样品位移的标记、计算应力应变的力传感器梁、样品台、电极块，其具体结构如下：单晶硅片上相对设置样品台，每个样品台上设置铂电极，每个铂电极分别通过线路与电极块连接，相对设置的两个铂电极上设置样品，样品的两端侧面分别对应设置位移标记一、位移标记二，支撑梁的外侧设置与运动端连接件。

所述的电子显微镜原位力学性能测试芯片，为了保证测试时样品单轴受力，在固定端设置2～8组支撑梁。

所述的电子显微镜原位力学性能测试芯片，固定端设置力传感器梁，对样品施加载荷后，芯片会发生变形，通过样品本身传输到力传感器梁上，使力传感器梁发生变形；作用在样品上的力F等于力传感器梁的弹簧常数乘以其变形量d，变形量d通过低倍电镜观察得到。

所述的电子显微镜原位力学性能测试芯片，样品两端的位移标记一、位移标记二读取样品两端的位移，两者之差为样品的变形量，样品两端位移通过低倍电镜观察得到。

所述的电子显微镜原位力学性能测试芯片，固定端与运动端相扣之后，固定端与运动端之间存在一个间隙。

所述的电子显微镜原位力学性能测试芯片的制作方法，在双面抛光单晶硅片的两侧沉积氮化硅，一侧利用紫外光刻技术和物理气相沉积技术沉积铂电极，而后进行深硅刻蚀；另一侧进行等离子体刻蚀，将氮化硅刻出所需图形，利用湿法刻蚀将硅刻蚀掉，直到两侧湿法刻蚀和深硅刻蚀的硅片接触到，最后利用金属掩膜板沉积钝化层，防止铂电极与金属接触，从而实现加热和加力，对待测样品进行显微结构演化分析。