專利名稱：用于薄膜力學(xué)性能測試的單軸微拉伸試件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測試技術(shù)領(lǐng)域的拉伸試件，具體地說，涉及一種用于薄膜力 學(xué)性能測試的單軸微拉伸試件。
技術(shù)背景隨著微機電系統(tǒng)的迅速發(fā)展，各種薄膜材料廣泛應(yīng)用于微器件中，由于微器 件結(jié)構(gòu)不是傳統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)尺寸的簡單縮小，當(dāng)結(jié)構(gòu)尺寸減少至微米/納米數(shù)量級 時，會產(chǎn)生明顯的尺寸效應(yīng)，導(dǎo)致材料力學(xué)、物理等性質(zhì)發(fā)生顯著變化，所以薄 膜材料微觀力學(xué)性能與宏觀材料力學(xué)性能有明顯差異，由大體積樣本測得的力學(xué) 性能參數(shù)已遠(yuǎn)不能滿足MEMS器件的設(shè)計要求，因此研究薄膜材料微尺度力學(xué)性 能顯得非常重要。材料的抗拉強度、楊氏模量、泊松比等基本微尺度力學(xué)特性， 是設(shè)計MEMS器件和進行可靠性分析的重要參數(shù)。在宏觀力學(xué)測試領(lǐng)域，單軸拉 伸試驗力學(xué)模型簡單、數(shù)據(jù)易于分析，已被廣泛用于測量抗拉強度、彈性模量、 泊松比等基本力學(xué)參數(shù)。但是對于微尺度環(huán)境下的單軸拉伸測試，由于試樣尺寸 小，微拉伸試樣的制備、對中及夾持困難，限制了微尺度力學(xué)特性測試，因此迫 切需要解決這一難題。經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)文獻的檢索發(fā)現(xiàn)，Haque等在Experimental Mechanics》(《實 驗力學(xué)》，2002年1期123-128頁)發(fā)表了題為"In-situ tensile testing of nano-scale specimens in SEM and TEM"("在掃描和透射電鏡中進行納米材料 性能的原位拉伸測量")的論文，提出用原位方法對金屬薄膜進行單軸拉伸實驗。 其特點是在硅基片上沉積薄膜，然后從背面用化學(xué)方法刻蝕硅，形成支撐梁結(jié)構(gòu) 的微拉伸試樣。在所測試樣兩端有位移傳感器對拉伸過程中的位移變量進行測 定。此方法的優(yōu)點是直接測出應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，且可測試多種材料和多層復(fù)合薄膜。 薄膜的典型尺寸厚200nm，寬240um和長185um。其缺點是由于微拉伸試樣支撐 梁剛度較大，不適宜測量大塑性變形的非硅材料。且整個測試系統(tǒng)必須放在SEM 或者TEM里面進行觀察測量，不適于常規(guī)操作，應(yīng)用范圍受到極大限制
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有薄膜微拉伸試件的不足，提供一種易于制備、對 中、夾持的框架式單軸微拉伸試件，使其滿足大塑性變形非硅材料(如各種單質(zhì) 金屬、合金和復(fù)合材料)的微拉伸測試要求，適于常規(guī)操作，應(yīng)用范圍寬。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括U型支撐平臺、移動平臺、蛇形支撐彈簧、對中標(biāo)記及位移標(biāo)記。蛇形支撐彈簧連接u型支撐平臺和移動平臺，U型支撐平臺和移動平臺與薄膜試樣的兩端懸空相連。對中標(biāo)記位于移動 平臺的上面。位移標(biāo)記粘接在靠近薄膜試樣、移動平臺的尾端。應(yīng)變標(biāo)記位于薄 膜試樣的兩側(cè)。測量時U型支撐結(jié)構(gòu)固定在金屬底座上，移動平臺的另一端與載 荷傳感器相連，對移動平臺施加水平方向的拉力，就可以實現(xiàn)微拉伸測試。通過 薄膜試樣的載荷和位移變化，可得出薄膜試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線。所述的U型支撐平臺為臺階狀或豎直狀，是由單晶硅濕法刻蝕、電鍍鎳形成 或全部由電鍍金屬鎳形成，U型支撐平臺總厚度至少為450微米，U型支撐平臺 外圍長為14毫米一20毫米、寬為14毫米一20毫米，U型支撐平臺兩側(cè)、底部、 上部的支撐梁寬度均為2毫米一4毫米，上部的支撐梁為開口狀，開口尺寸5毫 米。所述移動平臺由單晶硅濕法刻蝕形成或電鍍金屬鎳形成，為矩形，其寬度為 2.5毫米一3.5毫米，長度10毫米一15毫米，厚度與U型支撐平臺相同。移動平臺前端有一直徑為1毫米的圓形通孔，用于拉伸時與力傳感器相連。所述的蛇形支撐彈簧是電鍍金屬鎳形成的多匝結(jié)構(gòu)。此彈簧通過疊層電鍍技 術(shù)制成，線寬為50毫米一200微米，厚度為30毫米一200微米，彈簧彎曲部分 的圓弧內(nèi)徑為50毫米一200微米，彈簧直線部分的長度為400微米。所述對中標(biāo)記及位移標(biāo)記是由電鍍金屬鎳形成，對中標(biāo)記可以選擇不同的形 狀和尺寸，如條形或十字形。位移標(biāo)記選擇正方體或長方體的碳纖維，厚度200 微米。所述薄膜試樣由電鍍金屬形成，可以根據(jù)測量試樣的不同而電鍍各種金屬或 合金薄膜。薄膜試樣形狀為啞鈴狀。本發(fā)明設(shè)計的框架式單軸微拉伸試件，薄膜試樣兩端可固定在兩個相對移動 的夾具平臺上，因此特別適用于大塑性變形的非硅材料。對中標(biāo)記保證試樣易于 裝配、對中。與移動平臺集為一體的位移標(biāo)記垂直度高，有利于非接觸式位移測 量精度的提高。本發(fā)明中的蛇形支撐彈簧由電鍍金屬鎳形成，依據(jù)載荷傳感器施力范圍和薄 膜試樣的尺寸，制備出不同尺寸或深寬比的微型彈簧，這樣蛇形支撐彈簧相對于 矩形支撐梁設(shè)計，在受到水平方向拉力時，能夠保持彈性變形，減小薄膜拉伸時 載荷測量誤差。本發(fā)明設(shè)計的框架式微拉伸試件結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有國內(nèi)外薄膜拉伸試樣相比，制備工藝可行，重現(xiàn)性好，成品率高；而且根據(jù)非硅材料的特性及試樣的尺寸，可以設(shè)計不同深寬比的蛇形支撐彈簧，保證彈簧在拉伸過程中呈線性變化，很好地解決了微拉伸過程中由支撐梁塑性變形而引起的測量誤差。本發(fā)明支撐彈簧在形變150微米范圍內(nèi)呈線性變化，對于形變小于10%的薄膜試樣均可進行力學(xué)性能測試，而Haque系統(tǒng)可測量的形變約是2%。因此，本發(fā)明對于大塑性變形的各種單質(zhì)金屬、合金和復(fù)合材料等非硅材料的測量具有較高的應(yīng)用價值。


圖1是實施例1硅、鎳支撐結(jié)構(gòu)的微拉伸試件結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是實施例1硅、鎳U型支撐平臺結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是實施例1移動平臺、對中標(biāo)記、位移標(biāo)記示意圖；圖4是實施例1蛇形支撐彈簧示意圖；圖5是實施例1薄膜試樣、應(yīng)變標(biāo)記示意圖；圖6是實施例3金屬鎳U型支撐結(jié)構(gòu)的微拉伸試件結(jié)構(gòu)示意圖；具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細(xì)說明本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案 為前提下進行實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護 范圍不限于下述的實施例。實施例l具有硅、鎳u型支撐結(jié)構(gòu)的微拉伸試件結(jié)構(gòu)。如圖1所示，本實施例包括U型支撐平臺1、移動平臺2、蛇形支撐彈簧3、對中標(biāo)記4、位移標(biāo)記5。蛇形支撐彈簧3連接U型支撐平臺1和移動平臺2， 薄膜試樣6兩端分別與U型支撐平臺1和移動平臺2懸空相連。對中標(biāo)記4位于 移動平臺2的上面，位移標(biāo)記5粘接在靠近薄膜試樣6、移動平臺2的尾端，測
量時U型支撐平臺1固定在金屬底座上，移動平臺2的另一端與載荷傳感器相連， 對移動平臺2施加水平方向的拉力，就可以實現(xiàn)微拉伸測試。通過薄膜試樣6 的載荷和位移變化，可得出薄膜試樣6的應(yīng)力應(yīng)變曲線。本實施例中，U型支撐平臺l為臺階狀，下層為厚500微米的單晶硅，外圍 尺寸長20毫米，寬20毫米，支撐梁寬度4毫米；上層為電鍍30微米厚的金屬 鎳，外圍尺寸長18毫米，寬18毫米，支撐梁寬度3毫米；開口尺寸5毫米。本實施例中，移動平臺2長15毫米、寬3.5毫米，厚度、材質(zhì)與U型支撐 結(jié)構(gòu)相同，分上下兩層，下層為厚500微米的單晶硅，上層為30微米厚的電鍍 金屬鎳。前端圓形通孔直徑1毫米；本實施例中，蛇形支撐彈簧3，由電鍍金屬鎳形成，其線寬200微米，厚度 30微米，彈簧彎曲部分的圓弧內(nèi)徑200微米，彈簧直線部分長400微米。本實施例中，U型支撐平臺l上層、蛇形支撐彈簧3、移動平臺2上層是通 過掩模疊層電鍍金屬鎳同時形成的。在此基礎(chǔ)上，在U型支撐結(jié)構(gòu)1和移動平臺 2的中心線部位，再掩模電鍍鎳制作薄膜試樣6。本實施例中，薄膜試樣6形狀為觀鈴狀，總長650微米，中間細(xì)頸段長200 微米，寬100微米，厚10微米，頸部半徑75微米，兩端部矩形部分長300微米， 寬500微米；本實施例中，對中標(biāo)記4為長30微米、寬10微米，厚0.5微米的線條狀， 置于移動平臺的中心線上，由電鍍鎳制作而成；本實施例中，位移標(biāo)記5的大小為2毫米X2毫米、厚200微米的長方體碳 纖維，粘接在靠近薄膜試樣、移動平臺的尾端。本實施例中，薄膜試樣6的兩側(cè)貼有應(yīng)變標(biāo)記7。所述應(yīng)變標(biāo)記7由電鍍金屬金形成，為矩形結(jié)構(gòu)，長度為30微米、寬度為10微米，厚度為0.5微米，兩個應(yīng)變標(biāo)記分別位于薄膜試樣中間細(xì)頸段的兩側(cè)。圖2是本實施例硅、鎳U型支撐平臺1示意圖，500微米厚的單晶硅通過濕法刻蝕形成框架式微拉伸樣件U型支撐平臺1的主體，相繼在其上集成蛇形支撐彈簧3、薄膜試樣6等結(jié)構(gòu)，薄膜力學(xué)微拉伸測試時，U型支撐結(jié)構(gòu)l通過粘接固定在金屬底座的支撐面上，形成微拉伸測試樣件固定端。圖3是本實施例移動平臺2、對中標(biāo)記4和位移標(biāo)記5示意圖，由圖可見對
中標(biāo)記4為一組線條狀圖形構(gòu)成，由電鍍方法形成。位移標(biāo)記5為長方體碳纖維, 粘接在靠近薄膜試樣、移動平臺的尾端。圖4是本實施例蛇形支撐彈簧3示意圖，蛇形支撐彈簧3與U型支撐結(jié)構(gòu)1 上層、移動平臺2i上層通過掩模疊層電鍍金屬鎳形成一體結(jié)構(gòu)。圖5是薄膜試樣6和應(yīng)變標(biāo)記7示意圖，薄膜試樣與應(yīng)變標(biāo)記均由電鍍方法 獲得。應(yīng)變標(biāo)記7位于薄膜試樣變形段兩側(cè)，為線條狀圖形。薄膜力學(xué)拉伸測試時，U型支撐平臺1通過粘接固定在金屬底座的支撐面上， 蛇形支撐彈簧3連接U型支撐平臺1和移動平臺2，薄膜試樣6懸空在U型支撐 平臺1和移動平臺2之間。移動平臺2與力學(xué)傳感器通過粘接相連，力傳感器加 載過程中，薄膜試樣6隨著移動平臺2—起運動，通過測量試樣變形過程中的應(yīng) 變標(biāo)記7以及位移標(biāo)記5的位移，便可以得出薄膜和蛇形支撐彈簧總的力和位移 的曲線關(guān)系。等薄膜試樣拉斷以后，對蛇形支撐彈簧再進行一次空拉伸，得出蛇 形支撐彈簧的力和位移的曲線關(guān)系。然后把第一次拉伸得出的數(shù)據(jù)減去第二次拉 伸的數(shù)據(jù)，即可得出薄膜試樣所承受的最大載荷，據(jù)此得到試樣的抗拉強度；同 時，通過力和位移的測量值，可以換算出薄膜試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線。經(jīng)測試，上 述試樣的最大形變達(dá)9.6%。實施例2具有硅、鎳U型支撐平臺的微拉伸試件結(jié)構(gòu)。本實施例的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)和實施例l相同，但各部分尺寸參數(shù)不同。本實施例中，U型支撐平臺1下層為厚500微米的單晶硅，外圍尺寸長17 毫米，寬17毫米，支撐梁寬度3毫米；上層外圍尺寸長15毫米，寬15毫米， 支撐梁寬度2毫米；本實施例中，移動平臺2長12.5毫米、寬2.5毫米，厚度、材質(zhì)與U型支 撐平臺相同，前端圓形通孔直徑l毫米；本實施例中，蛇形支撐彈簧3，其線寬50微米，厚度200微米，彈簧彎曲 部分的圓弧內(nèi)徑50微米，彈簧直線部分長400微米。本實施例中，薄膜試樣6總長450微米，中間細(xì)頸段長100微米，寬50微 米，厚5微米，頸部半徑75微米，兩端部矩形部分長200微米，寬300微米； 對中標(biāo)記4、應(yīng)變標(biāo)記7、位移標(biāo)記5的尺寸參數(shù)與實施例1同。此薄膜試樣6拉伸斷裂前的最大形變約為2. 8%。實施例3具有金屬鎳U型支撐平臺的微拉伸試件結(jié)構(gòu)。如圖6所示，本實施例微拉伸試件結(jié)構(gòu)包括U型支撐平臺l、移動平臺2、蛇形支撐彈簧3、對中標(biāo)記4、位移標(biāo)記5組成。除尺寸參數(shù)、U型支撐平臺l、 移動平臺2全部由電鍍金屬鎳形成外，其余部件的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)基本與實施例1 相同。本實施例中，U型支撐平臺1外圍尺寸長14毫米，寬14毫米，支撐梁寬度 2毫米，厚度450微米；本實施例中，移動平臺2長10毫米、寬3毫米，厚度、材質(zhì)與U型支撐結(jié) 構(gòu)相同，前端圓形通孔直徑l毫米；本實施例中，蛇形支撐彈簧3，其線寬125微米，厚度120微米，彈簧彎曲 部分的圓弧內(nèi)徑125微米，彈簧直線部分長400微米。本實施例中，薄膜試樣6總長550微米，中間細(xì)頸段長150微米，寬75微 米，厚7.5微米，頸部半徑75微米，兩端部矩形部分長250微米，寬400微米； 對中標(biāo)記4、應(yīng)變標(biāo)記7、位移標(biāo)記5的尺寸參數(shù)與實施例1同。經(jīng)過拉伸試驗，獲得此薄膜試樣的形變值約為6. 2%。上述實施例表明，本發(fā)明的單軸微拉伸試樣可很好地應(yīng)用于薄膜材料微觀力 學(xué)性能測試，該集成式框架微拉伸試件適于微加工技術(shù)制備，其最大特點是試樣 易于裝配、對中、夾持，不易損壞試樣，試樣兩端分別固定在兩個可相對移動的 夾具平臺上，因此特別適合大塑性變形非硅材料拉伸強度、彈性模量等參數(shù)的測 量。經(jīng)對多個特征尺寸在微米級樣品測試結(jié)果顯示，數(shù)據(jù)重復(fù)性較好，試樣斷口 呈典型的45°角，表明該微拉伸試件結(jié)構(gòu)設(shè)計較為合理。本發(fā)明適用于微機電 系統(tǒng)中的各種單質(zhì)金屬、合金和復(fù)合材料等薄膜材料微觀力學(xué)性能測試。
權(quán)利要求
1.一種用于薄膜力學(xué)性能測試的單軸微拉伸試件，包括U型支撐平臺、移動平臺、位移標(biāo)記，其特征在于，還包括蛇形支撐彈簧、對中標(biāo)記，蛇形支撐彈簧連接U型支撐平臺和移動平臺，U型支撐平臺和移動平臺與薄膜試樣的兩端懸空相連，對中標(biāo)記位于移動平臺的上面，位移標(biāo)記粘接在靠近薄膜試樣、移動平臺的尾端。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于薄膜力學(xué)性能測試的單軸微拉伸試件，其特 征是，所述U型支撐平臺為臺階狀或豎直狀。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于薄膜力學(xué)性能測試的單軸微拉伸試件， 其特征是，所述U型支撐平臺總厚度至少為450微米，U型支撐平臺外圍長為14 毫米_20毫米、寬為14毫米一20毫米。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于薄膜力學(xué)性能測試的單軸微拉伸試件， 其特征是，所述U型支撐平臺兩側(cè)、底部、上部的支撐梁寬度均為2毫米一4毫米，上部的支撐梁為開口狀，開口尺寸5毫米。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于薄膜力學(xué)性能測試的單軸微拉伸試件，其特征是，所述移動平臺為矩形，其寬度為2. 5毫米_3. 5毫米，長度10毫米一15 毫米，厚度與U型支撐平臺相同。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的用于薄膜力學(xué)性能測試的單軸微拉伸試件， 其特征是，所述移動平臺前端有一直徑為1毫米的圓形通 L，用于拉伸時與力傳 感器相連。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于薄膜力學(xué)性能測試的單軸微拉伸試件，其特 征是，所述蛇形支撐彈簧是多匝結(jié)構(gòu)，其線寬為50微米一200微米，厚度為30 微米一200微米。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1或7所述的用于薄膜力學(xué)性能測試的單軸微拉伸試件， 其特征是，所述蛇形支撐彈簧，其彈簧彎曲部分的圓弧內(nèi)徑為50微米一200微 米，彈簧直線部分的長度為400微米。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于薄膜力學(xué)性能測試的單軸微拉伸試件，其特 征是，所述位移標(biāo)記是正方體或長方體的碳纖維，厚度為200微米。
全文摘要
一種力學(xué)性能測試技術(shù)的用于薄膜力學(xué)性能測試的單軸微拉伸試件，包括U型支撐平臺、移動平臺、蛇形支撐彈簧、對中標(biāo)記、位移標(biāo)記，蛇形支撐彈簧連接U型支撐平臺和移動平臺，U型支撐平臺和移動平臺與薄膜試樣的兩端懸空相連，對中標(biāo)記位于移動平臺的上面，位移標(biāo)記粘接在靠近薄膜試樣、移動平臺的尾端。本發(fā)明與國內(nèi)外現(xiàn)有微拉伸試件相比，制備工藝可行，重現(xiàn)性好，成品率高，并且克服了拉伸過程中由支撐梁塑性變形而引起的實驗誤差。本發(fā)明集成式框架微拉伸試件適用于微機電系統(tǒng)中的各種單質(zhì)金屬、合金和復(fù)合材料等薄膜材料微觀力學(xué)性能測試。
文檔編號G01N3/00GK101149317SQ20071004768
公開日2008年3月26日 申請日期2007年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月1日
發(fā)明者丁桂甫, 瑞 劉, 李雪萍, 楊春生, 紅 汪 申請人:上海交通大學(xué)