[发明专利]微纳米薄膜试件摆锤式冲击装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种摆锤式冲击装置，尤其涉及一种微纳米薄膜试件摆锤式冲击装置。

背景技术

各类薄膜在工业中有着广泛的应用，例如用于机械部件、建筑构件或是装饰品的耐氧化、防腐蚀和力学性能的改善等等。近年来，电子工业的迅猛发展、集成度的上升、集成系统功能的迅速更新，大大促进了薄膜制造技术的发展，同时也提出了更新、更高的要求。薄膜是微电子机械系统(Micro Electro-Mechanical System，MEMS)中应用最为广泛的材料形态，经常被制作成MEMS器件中的微机械结构，它要求薄膜不仅有很好的电磁光性质，还能够承受机械载荷、传递力和运动。例如在复合微电子组件(薄膜、基底、封装材料)的生产过程中，由于热学与力学参量的失配，薄膜在各种成型工艺过程中的加热、冷却引起了残余应力或热差落应变，导致了薄膜的脱层或是断裂。

目前根据薄膜与基底的材料和构型不同，主要的破坏形式有以下几种：薄膜的断裂与龟裂；薄膜与基底的脱粘和脱层；电子封装过程中引起的分离和层裂；热疲劳或应力腐蚀损伤；多层微电子结构的脱层与屈曲。上述破坏形式常常单独或复合发生，其中机械载荷作用下，薄膜的脱层和屈曲是最为常见也是最为严重的破坏形式。因此对薄膜屈曲的研究是优化MEMS器件设计，提高其寿命与可靠性的关键。

在MEMS器件的加工过程中，由于工艺过程、表面粗糙度、残余应力、表面粘附能、几何形状、承载形式等因素的影响，即使对于同种薄膜材料而言，其力学性质往往也表现出显著的差异。例如，采用表面加工工艺制备的薄膜材料的弹性模量与其厚度有关；也有研究表明，微构件由于内部损伤的积累而导致力学性能的改变。所以近几年来人们一直借助于原子力显微镜、纳米硬度计等进行微观测试，另一方面也发展了许多微构件材料力学基本参数的专门测试方法。如弹性模量的测量就有单轴拉伸法、两轴拉伸法、弯曲法、谐振法、微结构法等等。不同的测试方法中，涉及的影响因素各有不同。如弹性模量的弯曲实验中，表面粗糙度引起的误差占主要成份，甚至超过实验误差和系统误差，但表面粗糙度对拉伸法测试的结果却影响较小。

现有的摆锤式冲击试验机适用于材料试样或制品进行冲击试验，是用以评价材料抗冲击性能的一种测试仪器。同时，也可以对同种材料、同种规格的试样进行冲击对比试验，以鉴定材料质量的优劣。其原理：在规定的冲击条件下，选择摆锤质量(也可以选择一定冲击高度而变换摆锤质量)，释放摆锤冲击试样，测出材料冲击破坏所需的能量。试样经冲击作用后出现用肉眼在自然光线下可见的裂纹、龟裂和破碎的现象称为破坏。其测量范围为大尺度试件，无法对微纳米尺度薄膜冲击破坏进行测试；测量内容主要集中在宏观试件的抗冲击性能，并未涉及试件的破坏过程的观测。

现有的微纳米尺度薄膜材料测量，主要停留在静态测量阶段，其测量内容大多为薄膜的静态强度、薄膜硬度、杨氏模量、泊松比等材料参数，并未涉及沉积在基底上的微纳米尺度薄膜的动态冲击强度。现有的摆锤式试验机其测量范围为大尺度试件，其冲击载荷相对于纳米材料来说过大，无法对微纳米尺度薄膜冲击破坏进行测量。现有的摆锤式冲击试验机适用于材料试样或制品进行冲击试验，是用以评价材料抗冲击性能的一种测试仪器。同时，也可以对同种材料、同种规格的试样进行冲击对比试验，以鉴定材料质量的优劣。其原理：在规定的冲击条件下，选择摆锤质量(也可以选择一定冲击高度而变换摆锤质量)，释放摆锤冲击试样，测出材料冲击破坏所需的能量。试样经冲击作用后出现用肉眼在自然光线下可见的裂纹、龟裂和破碎的现象称为破坏。摆锤冲击试验机是要用于硬质塑料、增强尼龙、玻璃钢、铸石、陶瓷、电绝缘材料等非金属材料冲击韧性的确定。其测量范围为大尺度试件，无法对微纳米尺度薄膜冲击破坏进行测试；测量内容主要集中在宏观试件的抗冲击性能，并未涉及试件的破坏过程的观测。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可以测量沉积在基底上的微纳米薄膜的冲击载荷，以及观测在冲击载荷下薄膜的破坏过程并可以保证对薄膜试件冲击面载荷均匀性的微纳米薄膜试件摆锤式冲击装置。