[发明专利]一种用于纳尺度薄膜双轴拉伸测试的系统及其制造方法

说明书

本发明提出一种用于纳尺度薄膜双轴拉伸测试的系统及其制造方法，属于微电子机械系统加工技术领域，该系统利用独特设计的片上试验机结构和微电子工艺检测分析用探针台相结合，提取纳尺度薄膜断裂时的双轴应力，其中片上试验机包括两个相互垂直布置的拉伸结构；每个拉伸结构包括一探针加载结构、两轮形加载换向结构、一可动框架、一弹性梁、一拉伸梁、两形变量标尺、两指针和两悬挂折叠梁。该系统可用来探究纳尺度下薄膜材料的破坏规律，也可用来进行薄膜制备工艺质量监控。

技术领域

本发明属于微电子机械系统(MEMS)加工技术领域，涉及一种用于纳尺度薄膜双轴拉伸测试的系统及其制造方法，特别应用在探究纳尺度下薄膜材料的破坏规律。

背景技术

结构受到超过临界值的外界载荷时将发生失效行为。判断在一定的外界载荷下结构是否会失效是一个重要问题，因为结构从开始时的制造到最终的使用都会面临可能失效的挑战。为解决这一问题，建立了弹性力学和强度理论。弹性力学负责计算外界载荷引起的结构内部应力，强度理论负责判断某一应力状态下材料是否会失效，因此强度理论又被称为材料断裂准则(判据)。材料的断裂判据需要建立在大量实验的基础上，实验通常需要对材料试样进行双轴拉伸测试以提取材料被破坏时内部不同的应力状况。目前传统的双轴拉伸试验机仅适用于对毫米及以上尺度的试样进行测试。在微纳加工技术飞速发展，MEMS/NEMS器件不断涌现的今天，材料在微纳尺度下的破坏规律研究成为影响行业发展的核心基础工作。对于微纳尺度的试样，因为紧固，加载，检测等方面的困难，目前尚还缺乏相应的检测手段。故需要提出更加合理的方法来对微纳尺度试样进行双轴拉伸测试以提取其断裂时的双轴应力，据此进行微纳尺度下材料的破坏规律研究。

发明内容

通过上面的分析可知，利用传统的双轴拉伸试验机无法提取微纳尺度薄膜试样断裂时的双轴应力，本发明的目的是提出一种提取纳尺度薄膜试样断裂时双轴应力的系统及其制造方法，利用新设计的片上试验机结构和微电子工艺检测分析用探针台相结合的系统，提取纳尺度薄膜断裂时的双轴应力。此方法可用来探究纳尺度下薄膜材料的破坏规律，也可用来进行薄膜制备工艺质量监控。

本发明采用的技术方案如下：

一种用于纳尺度薄膜双轴拉伸测试的系统，包括片上试验机和用于对片上试验机施加负载力的探针台，所述片上试验机包括两个相互垂直布置的拉伸结构；每个拉伸结构包括一探针加载结构、两轮形加载换向结构、一可动框架、一弹性梁、一拉伸梁、两形变量标尺、两指针和两悬挂折叠梁；其中，探针加载结构用于承接探针台的探针加载；两轮形加载换向结构位于探针加载结构的对称两侧，均包括一轮形结构和若干个辐条梁，两轮形结构的相对两侧都连接于探针加载结构，相背两侧都连接于可动框架的两前臂梁，辐条梁将轮形结构连接于轮形轴心的第一锚点上；可动框架包括向两轮形加载换向结构方向延伸的所述两前臂梁和背离该方向的两后臂梁，两前臂梁的后端与两后臂梁的前端相互固定，两前臂梁和两后臂梁各自对称分布，两后臂梁的后端内侧设有所述两形变量标尺；两悬挂折叠梁的一端分别连接于可动框架的两侧，另一端分别固定于两第二锚点上；弹性梁垂直连接可动框架的两后臂梁；拉伸梁包括一垂直梁和一横梁，该垂直梁平行布置于可动框架的两后臂梁的正中间，其一端连接于弹性梁的正中部，另一端连接一正方形薄膜试样的一条边；该横梁的正中部垂直连接于该垂直梁上，其两端设有所述两指针；所述两指针分别用于标记所述两形变量标尺的刻度；薄膜试样的未被两拉伸结构的拉伸梁连接的相邻两条边分别固定连接于两第三锚点。

进一步地，探针加载结构具有V形加载口，可以保证加载位置的准确性和加载力的方向。

进一步地，可动框架的两后臂梁间的距离窄于两前臂间的距离，每一侧的前臂梁与后臂梁之间通过与之垂直的一肩梁连接，悬挂折叠梁的一端具体连接于肩梁上。

进一步地，轮形加载换向结构的辐条梁绕第一锚点周向均匀分布。

进一步地，两拉伸结构的相邻的两悬挂折叠梁连接于同一个第二锚点上。