[发明专利]一种用于测量薄膜性能的鼓膜装置

说明书

技术领域

一种结合显微测量的鼓膜装置，属于光测实验力学、变形测量技术领域。

背景技术

鼓膜法是一种测量薄膜力学性能参量的实验方法，宏观鼓膜法已经用于薄膜力学性能的测量当中。随着研究对象厚度越来越小到微米甚至纳米量级，需要发展微尺度上的鼓膜法。此外，微纳米器件当中的薄膜在服役过程中不仅仅受到力载荷，往往受到热载荷的作用，所以需要发展力热耦合作用下的鼓膜法，对薄膜的力学性能进行表征。

薄膜力学性能的测量方法主要有拉伸法、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，且薄膜易发生翘曲变形；压痕法难以克服基底对薄膜性能的影响；鼓膜法可以克服以上两种方法的缺点，且可以同时进行多参量测量，包括薄膜的弹性常数和薄膜内的残余应力。

D Xu等人于2010年在Experimental Mechanics杂志上提出了一种利用反射云纹方法测量透明薄膜离面变形的方法，并且应用于鼓膜法薄膜的三维变形测量当中，该方法的缺点在于装置复杂；只适合于透明薄膜的测量；仅适用于宏观测量；不能应用于微尺度上的鼓膜实验测量等。Neggers等人于2014年在Experimental Mechanics杂志上提出了一种微尺度的鼓膜实验，利用共聚焦光学显微镜结合数字图像相关方法对薄膜的三维变形进行测量，但是该鼓膜装置的缺点是薄膜采用微加工工艺制备；制备过程复杂；仅适用于氮化硅等薄膜且适用范围小。Berdova等人在于2014年在Acta Materialia杂志上提出了一种顶杆式鼓膜实验方法测量纳米氧化铝薄膜的力学参数，但是该方法同样存在薄膜制备过程复杂和适应范围小的缺点。

发明内容

本发明提出了一种用于测量薄膜力学性能的鼓膜装置，包括光学显微镜、炉体、隔热层、内胆、盖子、观测窗、薄板、薄膜、控制器、加压装置、加热器、压力传感器、温度传感器、操控面板、导线、第一管路、第二管路、气流阀，其中，薄板固定地置于炉体内部的内胆上靠近炉体上边缘处，使得薄板的边缘靠近炉体边缘，盖子位于薄板上方，盖子内部具有凸缘，使得当盖子与炉体通过螺纹装配后，盖子内部的凸缘将薄板与内胆边缘压合在一起，并且薄板与盖子之间具有空隙，加热器置于炉体底部，加压装置通过第一管路与炉体内部相连，控制器通过导线与炉体内的加热器、温度传感器、压力传感器连接，以控制炉体内的温度并且将测得的炉体内的压力和温度数据输出至所述控制器，并且，控制器通过第二管路与炉体外的加压装置连接，所述盖子具有用于观测薄板变化的透明的观测窗，光学显微镜置于透明的观测窗上方用于观测薄板上鼓膜的三维形貌特征。

本发明所提出的微尺度鼓膜实验装置，能够适用于不同材料薄膜的鼓膜实验研究，该装置结合光学显微镜对测量的区域进行放大观测，利用光栅对鼓膜的三维形貌进行测量，还可同时对薄膜在力/热耦合作用下的力学变形行为进行研究。

附图说明

图1为本发明的装置的结构示意图，其中，1-观测窗，2a-盖子，2b-炉体，3-隔热层，4-内胆，5-加热器，6-第一垫圈，7-薄板，8-第二垫圈，9-温度传感器，10-压力传感器，11-气流阀，12-操控面板，13-导线，14-第一管路，15-第二管路，16-光学显微镜，17-控制器，18-加压装置，19-薄膜；

图2为鼓膜实验原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的具体结构及实施方式：

如图1所示，在厚度为100-500μm之间的薄板7上加工出1～5个直径不同的通孔，所述通孔的直径在100-500μm之间，并对薄板7进行打磨抛光处理，然后，在薄板7的上表面甩耐高温胶，甩胶后对耐高温胶覆盖层进行清理，去除覆盖所述通孔上的耐高温胶，使得所述耐高温胶形成均匀的覆盖层，但不覆盖且不渗透进入所述通孔中。需要注意的是，薄板7可由二氧化硅或硅制成，薄膜19可由金属或聚合物材料制成，观测窗1由玻璃或其他耐热透明材料制。

随后，使薄膜19预先生长在表面附有一层光刻胶的玻璃基底上，形成薄膜光刻胶结构，并将该薄膜光刻胶结构压印在涂有耐高温胶的薄板7上，使得光刻胶层朝上，薄膜19与耐高温胶紧密贴合，待耐高温胶固化后，用显影液洗去薄膜光刻胶结构中的光刻胶，最终得到的结构如图2所示，薄膜19通过耐高温胶与薄板7结合在一起，薄膜19的上表面形成有光栅图案，当薄膜19发生变形时，可通过光学显微镜测量出其表面上的光栅图案的变化，并计算出其三维尺寸的变化量。