一种薄膜单轴双向微拉伸装置及薄膜变形的测量方法，属于精密机械领域。该装置利用两个压电陶瓷８分别从两个方向推动可沿滑轨２移动的滑块４与可调滑块３，滑块４及可调滑块３与支架１之间通过限位弹簧９进行限位，滑块４及可调滑块３上固接有的力传感臂６，力传感臂６顶端接载物台，在测量时，首先将待测的薄膜试件夹在载物台上，然后对压电陶瓷８连续施加电压，使两个力传感臂６向相反方向发生微位移，同时通过图像实时采集系统和附在力传感臂６上的应变片５记录薄膜变形图像和力学参数。使用该装置和测量方法能够在测量过程中连续观察测量区，并可通过不同量程的力传感臂进行较宽范围的测量。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于精密机械领域，特别涉及显微环境下薄膜加载及薄膜变形检 测方法。
技术介绍
目前薄膜材料的检测技术主要有压痕法(indentation)、薄膜弯曲法 (film curving or film bending )、鼓膜法(bulge test)、 微结构法 (microstructure testing)、单轴^立伸法(uniaxial tensile testing) 等。其中单轴拉伸法是测量薄膜弹性模量、泊松比、屈服强度和断裂强 度等力学特性的最直接方法。目前，在基于光学显微镜、电子束扫描显 微镜及原子力扫描显微镜系统主要有以下几种微拉伸装置(1 )基于高 精度应变测量的干涉应变计法结合压电陶瓷单向驱动微拉伸装置；(2 ) 基于双视场显微技术结合压电陶瓷单向驱动微拉伸装置；(3)原子力或 电子束扫描显微环境下单轴单向微拉伸加载装置。专利申请号200510086228. 8为中国专利申请，公开了一种扫描显微环境 下薄膜拉伸加载装置及薄膜变形测量方法，该装置采用压电陶资单向驱动拉 伸薄膜试样，并可结合双曝光数字散斑技术、图像相关技术等对微尺度薄膜 的变形进行测量分析。Shar pe等人设计的基于高精度应变测量的干涉应变计法结合压电陶 瓷单向驱动微拉伸装置，采用压电陶瓷进行单向拉伸，空气轴承调整对中度 并减小摩擦，激光干涉测量标记点之间的薄膜变形，力传感器测量载荷，试 样夹持可以采取粘接也可用^争电夹持(Sharpe W N, Turner K T， Edwards R L， Tensile testing of ploysilicon. Experimental Mechanics, 1999， 39(3): 210-216)。Ogawa等人设计的基于双视场显微技术结合压电陶资单向驱动微拉伸 装置，用压电陶资提供驱动，力传感器测量载荷，另外采用双^L场显^b镜测量 位移，并设计薄片框架调整对中度(0gawa H， Suzuki S， Kaneko S， et al. Tensile testing of microfabricated thin films. Microsystem Technologies, 1997 (3): 117-121)。Haque等人设计的原子力或电子束扫描显微环境下单轴单向微拉伸加 载装置，避免了加持、对中两个大难题，同时利用对与试样端部连接的薄片 的三点弯曲变形测量来获得薄膜的载荷值，薄膜面内变形由AFM、 SEM通过数字图{象相关法(DIC)测量(HaqueMA， SaifMTA, In-situ tensile testing of nano-scale specimens in SEM and TEM, Experimental mechanics, 2001, 123-128 )。干涉应变计法结合压电陶乾单向驱动微拉伸装置的缺点在于，只能得 到激光干涉测量标记点之间的平均薄膜变形信息，而不能得到所感兴趣的局 部微区域的具体变形情况；随着拉伸变形的扩大，标记点会跑到探测区域夕卜。基于双视场显微技术结合压电陶f;单向驱动微拉伸装置的缺点在于， 只能得到两个显微视场之间试件的平均变形信息，而不能得到所感兴趣的局 部微区域的具体变形情况，只适合研究试件总体平均的力学性能。另外，其 结构及检测设计相对复杂；也存在变形较大条件下观测标记点跑出显微视场 外的问题。原子力或电子束扫描显微环境下单轴单向微拉伸加载装置的缺点在 于，集成一体化的试件加工和制备相当困难，能够适合这种集成结构及孩i加 工的材料非常有限，应用范围非常局限，另外实验操作难度很大。压电陶瓷单向驱动拉伸结构最突出的缺点在于，对薄膜试样的拉伸只有 一个方向，试样上的被观测区域在拉伸过程中向一个方向移动，由于高倍显 微扫描能够观察的区域非常小，随着拉伸变形的扩大，需要被观测的会移动 到探测区域外，使测量过程难以连续、定量测量。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服压电陶瓷单向驱动结构在测量中试样被观测区移 出探测区的问题，提供一种压电陶资双向驱动装置，保证被观测区在测量过 程中始终处于探测区内(对光学显微镜来说就是视野内)。同时还提供一种 使用本专利技术装置进行薄膜微变形测量的方法。本专利技术的装置，其结构特征如下该装置含有整体结构左右对称的支架1,固定在支架1上的、相互平行的 四根滑轨2，可调滑块3，滑块4,上面粘贴有应变片5的两个力传感臂6, 两个载物台7,两块压电陶瓷8、两个限位弹簧9;所述的四根滑轨2呈上下 两层排列，每层的两根滑轨2位于同一水平面，可调滑块3套装在前述两层 滑轨2的上层滑轨2上，并可沿滑轨2左右移动，滑块4则套装在两层滑轨2 的下层滑轨2上，也可沿滑轨2左右移动；从水平方向看，装置可以分上下 两层，在上层结构当中，由上层滑轨2提供支撑，可调滑块3与一侧支架壁 10之间有一块压电陶瓷8,该压电陶资8的一个端面与可调滑块3紧密接触， 另一端面与支架壁IO之间通过导座12连接，并与导座12紧密接触，螺旋测 微头13穿过支架壁10、导座12上的导孔11并顶住压电陶瓷IO与导座12接触的端面；在下层结构当中，在与前述支架壁IO相对的另一侧的支架壁10 和滑块4之间，也有一块压电陶乾8，该压电陶覺8的一个端面与滑块4紧密 接触，另一端面与支架壁IO之间通过连接座14连接，并与连接座14紧密接 触；在与压电陶瓷8相接的可调滑块3的另一侧面，有一个水平伸出的一端 顶在可调滑块3上、另一端通过连接到支架壁IO上的弹簧座15的限位弹簧9; 在与压电陶乾8相接触的滑块4的另一侧面，也有一个水平伸出的一端顶在 滑块4上、另一端通过与支架壁IO相接的弹簧座15的限位弹簧9;所述的导 座12、连接座14与支架壁IO相固接，弹簧座15与支架壁IO通过螺紋连接； 两个力传感臂6左右对称，处于同一平面上，分别与可调滑块3及滑块4相 固接并水平伸出；两载物台7分别连接到左、右两个力传感臂6伸出端的头 部凹座sl中，并相向水平伸出且端部之间有一定间距，载物台7—端是万向 球16,另 一端是载物板s2万向球16可通过与力传感臂6相连接的锁死结构 17固定；压电陶瓷8与驱动控制系统相连接，应变片5组成合适桥路与应变 测量系统连4妄。所述的力传感臂6,在其与可调滑块3或滑块4的连接端及与载物台7的 凹座sl之间，沿力传感臂6的纵向方向有两处位置开有关于纵轴线对称的圆 孔状的槽s3。槽s3的目的主要是增加拉伸应力产生的变形度，从而使应变片 5能更好的感应应变情况，增加测量精度。槽s3的直径大小直接影响测量精度，直径越大，槽壁就越薄，当产生一 定力的时候，力传感臂6的变形就越大，测量精度就可以越高。在本专利技术的 装置中，为了能够适用于不同薄膜试件检测，设计两套具有不同量程的左、 右力传感臂6，力传感臂6上槽s3的直径不同，用于大量程测量的小直径者 粘贴的应变片5是金属应变片，用于微力测量的大直径者粘贴的应变片5是 半导体应变片。相信本领域技术人员可以理解的是，只要保证可以让应变传感器可以感 应到变形，槽s3的形状和尺寸可以变化，如哑铃形。四根滑轨2横截面的中心点构成一矩形，这种结构采用对称设计，相信 本领域技术人员可以理解的是本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种薄膜单轴双向微拉伸装置，其特征在于：该装置含有整体结构左右对称的支架（１），固定在支架（１）上的、相互平行的四根滑轨（２），可调滑块（３），滑块（４），上面粘贴有应变片（５）的两个力传感臂（６），两个载物台（７），两块压电陶瓷（８）、两个限位弹簧（９）；所述的四根滑轨（２）呈上下两层排列，每层的两根滑轨（２）位于同一水平面，可调滑块（３）套装在前述两层滑轨（２）的上层滑轨（２）上，并可沿滑轨（２）左右移动，滑块（４）则套装在两层滑轨（２）的下层滑轨（２）上，也可沿滑轨（２）左右移动；从水平方向看，装置可以分上下两层，在上层结构当中，由上层滑轨（２）提供支撑，可调滑块（３）与一侧支架壁（１０）之间有一块压电陶瓷（８），该压电陶瓷（８）的一个端面与可调滑块（３）紧密接触，另一端面与支架壁（１０）之间通过导座（１２）连接，并与导座（１２）紧密接触，螺旋测微头（１３）穿过支架壁（１０）、导座（１２）上的导孔（１１）并顶住压电陶瓷（８）与导座（１２）接触的端面；在下层结构当中，在与前述支架壁（１０）相对的另一侧的支架壁（１０）和滑块（４）之间，也有一块压电陶瓷（８），该压电陶瓷（８）的一个端面与滑块（４）紧密接触，另一端面与支架壁（１０）之间通过连接座（１４）连接，并与连接座（１４）紧密接触；在与压电陶瓷（８）相接的可调滑块（３）的另一侧面，有一个水平伸出的一端顶在可调滑块（３）上、另一端通过连接到支架壁（１０）上的弹簧座（１５）的限位弹簧（９）；在与压电陶瓷（８）相接触的滑块（４）的另一侧面，也有一个水平伸出的一端顶在滑块（４）上、另一端通过与支架壁（１０）相接的弹簧座（１５）的限位弹簧（９）；所述的导座（１２）、连接座（１４）与支架壁（１０）相固接，弹簧座（１５）与支架壁（１０）通过螺纹连接；两个力传感臂（６）左右对称，处于同一平面上，分别与可调滑块（３）及滑块（４）相固接并水平伸出；两载物台（７）分别连接到左、右两个力传感臂（６）伸出端的头部凹座（ｓ１）中，并相对水平伸出且端部之间有一定间距，载物台（７）一端是万向球（１６），另一端是载物板（ｓ２），万向球（１６）可通过与力传感臂（６）相连接的锁死结构（１７）固定；压电陶瓷（８）与驱动控制系统相连接，应变片（５）组成合适桥路与应变测量系统连接。...
【技术特征摘要】
1. 一种薄膜单轴双向微拉伸装置，其特征在于该装置含有整体结构左右对称的支架(1)，固定在支架(1)上的、相互平行的四根滑轨(2)，可调滑块(3)，滑块(4)，上面粘贴有应变片(5)的两个力传感臂(6)，两个载物台(7)，两块压电陶瓷(8)、两个限位弹簧(9)；所述的四根滑轨(2)呈上下两层排列，每层的两根滑轨(2)位于同一水平面，可调滑块(3)套装在前述两层滑轨(2)的上层滑轨(2)上，并可沿滑轨(2)左右移动，滑块(4)则套装在两层滑轨(2)的下层滑轨(2)上，也可沿滑轨(2)左右移动；从水平方向看，装置可以分上下两层，在上层结构当中，由上层滑轨(2)提供支撑，可调滑块(3)与一侧支架壁(10)之间有一块压电陶瓷(8)，该压电陶瓷(8)的一个端面与可调滑块(3)紧密接触，另一端面与支架壁(10)之间通过导座(12)连接，并与导座(12)紧密接触，螺旋测微头(13)穿过支架壁(10)、导座(12)上的导孔(11)并顶住压电陶瓷(8)与导座(12)接触的端面；在下层结构当中，在与前述支架壁(10)相对的另一侧的支架壁(10)和滑块(4)之间，也有一块压电陶瓷(8)，该压电陶瓷(8)的一个端面与滑块(4)紧密接触，另一端面与支架壁(10)之间通过连接座(14)连接，并与连接座(14)紧密接触；在与压电陶瓷(8)相接的可调滑块(3)的另一侧面，有一个水平伸出的一端顶在可调滑块(3)上、另一端通过连接到支架壁(10)上的弹簧座(15)的限位弹簧(9)；在与压电陶瓷(8)相接触的滑块(4)的另一侧面，也有一个水平伸出的一端顶在滑块(4)上、另一端通过与支架壁(10)相接的弹簧座(15)的限位弹簧(9)；所述的导座(12)、连接座(14)与支架壁(10)相固接，弹簧座(15)与支架壁(10)通过螺纹连接；两个力传感臂(6)左右对称，处于同一平面上，分别与可调滑块(3)及滑块(4)相固接并水平伸出；两载物台(7)分别连接到左、右两个力传感臂(6)伸出端的头部凹座(s1)中，并相对水平伸出且端部之间有一定间距，载物台(7)一端是万向球(16)，另一端是载物板(s2)，万向球(16)可通过与力传感臂(6)相连接的锁死结构(17)固定；压电陶瓷(8)与驱动控制系统相连接，应变片(5)组成合适桥路与应变测量系统连接。2. 根据权利要求1所述的薄膜单轴双向纟敬拉伸装置，其特征在于所述 的力传感臂(6...
【专利技术属性】
技术研发人员：李喜德，吴文旺，章玮宝，蔺书田，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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