本发明专利技术公开了一种多功能薄膜力学性能检测装置，该装置包括样品台、用于向薄膜样品施加压力的加载机构、用于检测薄膜样品所受压力和变形的测量机构以及计算机。本装置采用数字散斑相关方法测量薄膜变形，结合鼓泡法和改良移层法这两种力学测试方法，可以方便、快捷而且精确地测量压力－变形曲线或者腐蚀厚度－变形曲线，根据相应理论模型提取获得薄膜与涂层的力学性能，适用于各种弹塑性体系的工具膜，装饰膜，高分子膜及其他类型薄膜力学性能的测定。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光测力学和材料性能检测
，特指一种基于数字散斑相关法测量变形的多功能薄膜力学性能检测装置。
技术介绍
薄膜科学与技术是微电子、信息、传感器、光学、太阳能利用等技术的基础，它已广 泛地渗透到当代科技的各个领域。为了适应高强度、耐磨、耐高温、耐腐蚀等不同工业应用 要求，通常采用表面镀膜等各种表面处理技术对材料表面进行加工，使其适用各种复杂的 工作环境。薄膜技术也是微电子器件和微电光器件的基础，近来薄膜技术更促进了微电子 机械系统(MEMS)的兴起和发展。 随着薄膜科学技术的发展，人们已意识到薄膜材料的力学性能研究对于薄膜材料 的生产和正常使用具有非常重要的意义。薄膜的力学性能主要涉及到薄膜的弹性模量、屈 服强度、残余应力和界面结合强度等。薄膜的弹性模量不仅在薄膜器件的设计中会用到，而 且也是屈服强度、断裂韧性和残余应力测量与评定的基础；薄膜在制备过程中由于薄膜与 基体的热胀系数和物理特性的不同而引起的膜内残余应力，并可能导致薄膜的起皱、开裂， 甚至膜基分离；膜基界面结合性能是决定薄膜元器件使用寿命的重要因素。因此，薄膜的力 学性能是薄膜器件设计的依据，是当今薄膜研究的重要课题之一。 由于薄膜材料的力学性能与具有相同化学成分的大体积材料的力学性能有较大 差异，各种传统的力学性能测试技术与装置也不能直接用于薄膜材料的测试，如何正确评 价和表征薄膜的力学性能是一个有待进一步研究的热门话题。 目前人们提出的薄膜力学测试技术主要有压痕法、单轴拉伸法、移层法和鼓泡法等。 压痕法是把压头压入材料中，通过连续记录加载与卸载期间载荷与压入深度的变 化，结合相应的理论模型得到力学性能，是目前在薄膜力学性能测试技术中较为广泛应用 的一种测试技术。压痕法能测量薄膜的弹性模量、硬度以及薄膜的蠕变行为等。 单轴拉伸法的测量原理与传统的块状材料的单轴拉伸法相似，可以直接获得薄膜 的应力-应变关系。 移层法作为一种新兴起的残余应力的表征手段，是利用部分破坏的方法，将薄膜 内部存在的残余应力释放出来，再通过实验测量得到薄膜破坏前后的曲率变化，代入模型 中计算得到残余应力值。 鼓泡法是通过对薄膜试样加压，试样在压力的作用下发生变形，根据压力和对应 的中心点高度可以得到残余应力、应力应变关系，当压力增大到使薄膜从基底剥离时，所消 耗的能量都用在了界面分离上，可以使与结合性能无关的能量损耗降到最低，从而准确表 征膜基体系的界面结合性能。 在这些已有的测试方法中，移层法由于结构简单，加工制造方法容易，并且建模方 法相对比较成熟，是常用的残余应力测试技术之一；鼓泡法物理思想简单，是一种既能确定薄膜的弹性模量、残余应力、同时又能确定界面结合能的重要实验方法，因而得到了广泛的 应用。 在应用鼓泡法进行测量时，加载装置的设计和薄膜的变形测量是非常重要的因 素，加载方式和载荷大小影响适用范围，而如果薄膜变形测量不准确，得到的力学参数相应 也就不可信。目前国内外已公开的基于鼓泡法的测试技术和装置有 中国专利CN1540309A、 CN1540310A公开了一种用内涨鼓泡法检测金刚石涂层附 着强度的测试技术和测量装置，测量装置主要包括测量基座，He-Ne激光干涉测量系统，压 力进给系统和压力测量系统，测量基座用立方体有机玻璃块制成，采用"嵌入式"连接压力 测量系统，采用0FV-3000光纤激光振动仪作为He-Ne激光干涉测量系统，采用注射泵作为 压力进给系统加压机构，采用卸荷阀对系统压力进行调整。根据帕斯卡定律及板壳理论推 导出内涨鼓泡法测量涂层附着强度的理论模型，由此测定金刚石涂层的附着强度，这种测 量方法不受基体形状及附着强度大小的限制，可以方便地用于复杂形状基体金刚石涂层的 附着强度测量。但装置的不足之处在于l.由于装置采用有机玻璃作为测量基座，而且样品 是通过环氧树脂粘接在样品支架上，可承受压力非常有限；2.薄膜变形挠度测量采用的是 He-Ne激光干涉测量系统，测量精度高，但对于环境的要求十分苛刻，测量时微弱的噪声和 振动对测量结果有非常大的影响。 中国专利CN2613756Y公开了一种薄膜力学性能测试鼓泡仪，包括试样台、试样 夹、加压泵和压力传感器，通过与计算机相连的压力传感器和激光位移传感器得到薄膜的 压力和变形挠度，具有操作方便，灵活的特点，但其不足之处在于1.由于所采用的压力传 感器最大测量极限只有lMPa，压力范围十分有限；2.装置采用加压泵加载，加载时速度难 以控制，不能实现均匀加载；3.薄膜中心的挠度由红外激光位移传感器测量，其分辨率仅 为2 ii m，而且只能测量单点， 一旦薄膜中心点定位不准，将导致实验结果产生很大误差。 中国专利CN101520385A公开了一种微机电系统薄膜材料力学性能与可靠性测量 方法和相应的测试装置，向具有悬浮膜片的薄膜测试结构施加压力，通过位于待测悬浮膜 片正上方的位移传感器测量薄膜变形挠度，通过测量压力_挠度变化曲线，根据理论计算 得到被测薄膜材料的杨氏模量，残余应力，断裂强度等力学性能和可靠性相关参数。其不 足之处在于1.由于采用粘接的方法将样品粘接在样品台上，粘接剂的抗拉强度有限，可 以应用的加载范围也相应受到限制；2.装置采用的是位移传感器测量薄膜变形，由于位移 传感器只能测量单点变形挠度，装置采用移动样品的方法让位移传感器测量薄膜变形的轮 廓，这样操作的缺点在于一方面有薄膜中心点定位的问题，如果没有准确地定位在薄膜中 心点，测量结果必定有很大误差，另一方面，通过移动样品来得到样品的变形轮廓也会使得 机械传动系统复杂，在移动样品的过程中容易引入误差。 美国专利US6772642B2公开了一种高效的应用鼓泡法检测材料力学性能的装置，它最大的特点在于可以同时对多个样品进行加载，样品台由多个管道组成，管道由受压不变形的硬质材料制成，样品放置在样品台上，通过管道向样品加压，薄膜变形由位移传感器测得，可以高效地对相同或不同的膜材料进行测量，这种装置由于采用的是位移传感器，也存在样品中心点定位困难的问题，如果定位不准确，结果误差就会很大。 除了以上测试方法和装置，对于薄膜变形挠度的测量，还有文献提出用LVDT(直线位移传感器)、栅线投影法等方法。LVDT(直线位移传感器)只能测量单点位移，如果位移传感器没有定位在中心点的上方，将极大的影响测量结果。栅线投影法虽然可以测量全 场位移，但由于采用傅里叶变换方法得到的结果与计算窗口有关，而这个计算窗口的选择 大多是凭借经验，不同的计算窗口 ，使得结果有很大出入，严重影响结果的稳定性。 移层法是通过测量薄膜破坏前后的曲率变化来求得薄膜内的残余应力，其关键在 于变形曲率测量，如果测量精度不高，必然影响残余应力的准确度。目前已有的目前国内外 已公开的基于移层法测试残余应力的技术和装置有 中国专利CN101046371A公开了一种基于显微干涉和有限差分的微/纳悬臂梁的 曲率测量方法，应用相移显微干涉法来测量微/纳悬臂梁的表面弯曲数据，用有限差分法 解析出被测微/纳悬臂梁的弯曲量，从而计算出最佳曲率匹配值。 中国专利CN101051018A公开了一种薄膜残余应力测量结构及其制作和测试方 法。用腐蚀液腐蚀牺牲层，测试平板得到应力释放而发本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种多功能薄膜力学性能检测装置，其特征在于，包括放置薄膜样品的样品台、用于向薄膜样品施加压力的加载机构、用于检测薄膜样品压力和变形的测量机构以及计算机；所述的加载机构包括步进电机、活塞和油腔；所述的步进电机驱动活塞；所述的油腔一侧与活塞连接，另一侧与薄膜样品连接；所述加载机构安装于所述样品台的下方；所述的样品台是加工有内螺纹的钢制圆环；所述的测量机构包括数据处理卡、安装于油腔内的压力传感器、安装于薄膜样品上方的用于检测薄膜变形的光学散斑检测装置，所述的压力传感器和光学散斑检测装置与数据处理卡连接，所述数据处理卡与所述的计算机连接。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：周益春，王子菡，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：43[中国|湖南]
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