一种基于MEMS工艺薄膜应变热导率测试装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于MEMS工艺薄膜应变热导率测试装置及方法，包括在外屏蔽罩下方设有的加热台，在外屏蔽罩内设有载物台，在载物台上设有压电测试装置，在压电测试装置上放置有测试片；在外屏蔽罩内壁设有温度传感器和通气孔；通过压电测试装置的压电驱动部件施加位移，压电测试装置的带动连接片，将位移施加到测试片使得镀有薄膜的测试片上的薄膜产生应变，应变大小为施加位移与应变片的设计大小比值确定。通过控制进给位移来控制薄膜应变的大小，通过向测试电极通入交流电流，通过读取从测试电极采集的3ω谐波的成分的大小并进过推导公式计算得到待测薄膜的热导率。此方法简单，完全满足测量薄膜不同应变下不同温度下的热导率的要求。

【技术实现步骤摘要】
一种基于MEMS工艺薄膜应变热导率测试装置及方法
本专利技术涉及微机电系统(MEMS)装置，特别是一种纳米薄膜应变与温度场情况下的热导率的测量装置及方法。
技术介绍
随着微加工技术的不断发展与推进，作为仪器设备微型化的一个重要发展领域，MEMS器件受到越来越多的关注。当器件/材料的尺度微细化之后，由于量子效应、尺寸效应以及表面与界面效应，其许多物理规律与其在常规尺度下相比会有所变化，即出现了微尺度效应。如广泛应用MEMS器件中的各种薄膜材料，由于工艺、微结构、边界效应及缺陷等因素，其物理特性往往异于体材料，表现出明显的微尺度效应。而薄膜的工作场景往往处于温度场，电场，力场等多场耦合，其相应的耦合参数对薄膜材料的应用至关重要。直接的体现是按照一般规律设计的薄膜结构在多场耦合下，薄膜容易出现断裂、塑形变形、脱落等损伤使得整个器件失效，因此，对薄膜材料特性热-机械特性(尤其是在热管理设计中最重要的参数：热导率)，了解的越准确，就越有利于科学指导工程设计，并提高其稳定性和可靠性，对微电子器件的研究和发展具有深远的意义。例如在本课题组申请的专利(公开号CN106813718A)“一种测量薄膜应变与热导率的装置及方法”(王海容，陈翰林，张咪，谷汉卿)中，公开了一种周边简支固定的圆形薄膜承受集中圆环载荷下薄膜应变与薄膜热导率的装置，将圆盘的应变经计算等效为圆盘上薄膜的薄膜应变，不过圆盘正面为拉伸应变，反面为压缩应变，这种加载方式是否会有干扰有待考验。例如在专利(公开号CN102053100A)“热电材料参数自动测定仪”(林国淙，刘晖，丁喜冬，张进修)中，专利技术了一个仪器可在-30°到800°的温度范围内，自动测量热电材料在各温度点的电导率、塞贝克(Seebeck)系数及热导率，从而得到热电材料品质因子ZT，但是此类系统搭建复杂昂贵，没有涉及到力热耦合参数测量，依旧满足不了需求。例如文献MechanicalStrainDependenceofThermalTransportinAmorphousSiliconThinFilms(Nanoscale&MicroscaleThermophysicalEngineering,2015)提出了基于MEMS的纳米结构拉伸装置，通过理论推导得出热导率，但是并没有考虑不同温度下的热导率测量。因此研究薄膜器件中应变与材料的热导率的关系变得越来越突出，此类热物性参数对MEMS器件有着极其重要的作用和潜在的应用价值。这就需要在确定温度下(或变温情况下)，研究材料应变与热导率的关系。因此，基于MEMS工艺制备一种平面应变加载和热导率测试装置，使原理简单并易于实现，并且测试方法成熟可靠成为目前本领域亟待解决的技术问题。
技术实现思路
为解决现有技术中存在的上述缺陷，本专利技术的目的在于提供一种基于简单易行的MEMS工艺制备平面应变加载和热导率测试装置。本专利技术是通过下述技术方案来实现的。一种基于MEMS工艺薄膜应变热导率测试装置，包括一个外屏蔽罩，在外屏蔽罩下方设有加热台，在外屏蔽罩内设有载物台，在载物台上设有压电测试装置，在压电测试装置上放置有测试片；在外屏蔽罩内壁设有温度传感器和通气孔；所述压电测试装置包括依次连接的金属连接块、压电驱动部件和连接片；制备有待测薄膜的测试片连接在金属连接块和连接片上，待测薄膜上的测试电极与检测系统和计算机相连；通过压电驱动部件施加位移，带动连接片，将位移施加到测试片使得镀有薄膜的测试片上的待测薄膜产生应变，通过控制进给位移来控制待测薄膜应变的大小，向测试电极通入交流电流，读取从测试电极采集的谐波的大小并计算得到待测薄膜的热导率。对于上述技术方案，本专利技术还有进一步优选的方案：进一步，所述铜制屏蔽罩为带有通气孔的四方体，屏蔽罩上方加有盖板。进一步，所述测试片包括与连接块相接的连接块卡槽、与连接片相接的连接片卡槽，测试片中部设有一对主梁连接的测试区，一对主梁上下分别刻蚀有上下对称分布的引导梁，一对主梁上的左右引导梁通过U型弹簧连接。进一步，所述测试区的厚度小于主梁的厚度，测试区厚度为100μm-300μm。进一步，在测试片表面的测试区上制备有待测薄膜，待测薄膜表面按照3ω测薄膜导热率方法溅射8个焊盘，采用MEMS工艺将两根几何尺度为微米级的金属条制作在待测薄膜表面，四个焊盘连接一个金属条。进一步，所述焊盘包括两个电流焊盘和两个电压焊盘作为测试电极，以电流正、电压正、电压负和电流正端子按照顺序依次以π形分布在金属条端部。本专利技术相应地给出了一种基于MEMS工艺薄膜应变热导率测试方法，包括下述步骤：1)在测试区均匀的沉积一层待测薄膜；2)在待测薄膜表面溅射测试电极，同时采用MEMS工艺将两根几何尺度为微米级的金属条制作在待测薄膜表面；两条金属带平行排列，与应变方向平行；3)将测试片与压电测试装置相连，测试片上的待测薄膜的测试电极与检测系统和计算机相连，并将包括压电测试装置和测试片放置在屏蔽罩内，并加盖盖板进行密封，通过通风孔和加热台和温度传感器控制测试环境的真空度和温度；4)通过压电驱动部件施加位移，经过移动端的连接片传导到测试片上；5)通过计算机读取的3ω谐波的成分U3ω的大小，通过公式计算得到待测薄膜的热导率k，即完成薄膜应变与热导率的测量。进一步，所述步骤4)，连接片位移与测试片上测试区设计大小的比值即为待测薄膜的应变。进一步，所述待测薄膜的热导率k与谐波的成分U3ω通过下式得到：式中，k为热导率，P分别为金属条加热膜单位加热功率，S为待测薄膜截面积，ΔT为温度变化值，U3ω为含有3ω谐波的电压值，t为待测薄膜的厚度，RHeater为加热电阻，I为加热电流的幅值，β为加热带的温度系数。本专利技术的有益效果在于：该装置整体结构简单，原理清晰明了，薄膜产生的应变可以精确控制，测试片加工灵活，可以制备不同形状的薄膜，以及复合薄膜应变温度场下进行测量，高温时屏蔽罩的加入可以减小辐射散热并减小环境温度误差，此装置完全满足测量薄膜不同应变下不同温度下的热导率的测量要求；测量方法成熟可靠，并且能够实际应用。附图说明此处所说明的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本专利技术的不当限定，在附图中：图1为装置总体示意图；图2(a)、(b)分别为测试片俯视图和轴测图；图3(a)、(b)、(c)分别为应变加载装置的组成图；图4为溅射测试电极；图5为电路示意图。图中：1-测试片；11-U型弹簧；12-引导梁；13-连接片卡槽；14-主梁；15-测试区；16-连接块卡槽；2-外屏蔽罩；3-加热台；4-载物台；5-压电测试装置；51-连接块；52-连接片；53-压电驱动部件；6-通气孔；7-温度传感器；8-盖板；9-螺钉。具体实施方式下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本专利技术，在此本专利技术的示意性实施例以及说明用来解释本专利技术，但并不作为对本专利技术的限定。如图1所示，本专利技术的基于MEMS工艺薄膜应变热导率测试装置，包括一个外屏蔽罩2，在外屏蔽罩2下方设有加热台3，用于支撑屏蔽罩罩体和放置加热部件，在外屏蔽罩2内设有载物台4，在屏蔽罩中设置载物台放置方式可以是在载物台上卡槽连接或者直接粘贴。在载物台4上设有压电测试装置5，在压电测试装置5上放置有测试片1；在外屏蔽罩2内壁本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于MEMS工艺薄膜应变热导率测试装置，其特征在于，包括一个外屏蔽罩(2)，在外屏蔽罩(2)下方设有加热台(3)，在外屏蔽罩(2)内设有载物台(4)，在载物台(4)上设有压电测试装置(5)，在压电测试装置(5)上放置有测试片(1)；在外屏蔽罩(2)内壁设有温度传感器(7)和通气孔(6)；所述压电测试装置(5)包括依次连接的金属连接块(51)、压电驱动部件(53)和连接片(52)；制备有待测薄膜的测试片(1)连接在金属连接块(51)和连接片(52)上，待测薄膜上的测试电极与检测系统和计算机相连；通过压电驱动部件(53)施加位移带动连接片(52)，将位移施加到测试片(1)，使得镀有薄膜的测试片上的待测薄膜产生应变，通过控制进给位移来控制待测薄膜应变大小，向测试电极通入交流电流，读取从测试电极采集的3ω谐波的大小并计算得到待测薄膜的热导率。

【技术特征摘要】
1.一种基于MEMS工艺薄膜应变热导率测试装置，其特征在于，包括一个外屏蔽罩(2)，在外屏蔽罩(2)下方设有加热台(3)，在外屏蔽罩(2)内设有载物台(4)，在载物台(4)上设有压电测试装置(5)，在压电测试装置(5)上放置有测试片(1)；在外屏蔽罩(2)内壁设有温度传感器(7)和通气孔(6)；所述压电测试装置(5)包括依次连接的金属连接块(51)、压电驱动部件(53)和连接片(52)；制备有待测薄膜的测试片(1)连接在金属连接块(51)和连接片(52)上，待测薄膜上的测试电极与检测系统和计算机相连；通过压电驱动部件(53)施加位移带动连接片(52)，将位移施加到测试片(1)，使得镀有薄膜的测试片上的待测薄膜产生应变，通过控制进给位移来控制待测薄膜应变大小，向测试电极通入交流电流，读取从测试电极采集的3ω谐波的大小并计算得到待测薄膜的热导率。2.如权利要求1所述的一种基于MEMS工艺薄膜应变热导率测试装置，其特征在于，所述外屏蔽罩(2)为带有通气孔的四方体，外屏蔽罩(2)上方加有盖板(8)。3.如权利要求1所述的一种基于MEMS工艺薄膜应变热导率测试装置，其特征在于，所述测试片(1)包括与连接块(51)相接的连接块卡槽(16)、与连接片(52)相接的连接片卡槽(13)，测试片(1)中部设有一对主梁(14)连接的测试区(15)，一对主梁(14)上下分别刻蚀有上下对称分布的引导梁(12)，一对主梁(14)上的左右引导梁(12)之间通过U型弹簧(11)连接。4.如权利要求3所述的一种基于MEMS工艺薄膜应变热导率测试装置，其特征在于，所述测试区(15)的厚度小于主梁(14)的厚度，测试区厚度为100μm-300μm。5.如权利要求3所述的一种基于MEMS工艺薄膜应变热导率测试装置，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王海容，谷汉卿，陈翰林，王久洪，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61