本发明专利技术公开了力-热复合式原位加载系统，它包括与底座相连的步进电机，步进电机的电机轴与双向滚珠丝杠通过联轴器连接，在双向滚珠丝杠上螺纹连接有左、右丝杠螺母，在左、右丝杠螺母上分别安装有左、右载物台，在左载物台上固定连接有左端支撑和左夹具，基座一端与左载物台固定相连并且其另一端自由悬空，一个力传感器安装在左端支撑和左夹具之间，在左夹具上固定有电热膜，在右载物台上固定连接有右夹具，光栅尺位移传感器的光栅尺读数头固定在右载物台一侧侧面上，光栅尺位移传感器的光栅尺主尺粘接在基座上，右夹具能够压紧安装在左夹具电热膜上的试件设置。本发明专利技术可实现亚微米级别的原位加载。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及纳米薄膜材料性能测试设备，特别涉及一种适用于沉积在基底上的纳米薄膜力-热复合式原位加载系统。
技术介绍
材料是人类赖以生存和发展的物质基础。材料的研究对国民经济建设、国防建设、人民生活等有着重大意义，在国内外受到普遍重视。随着近年来纳米科学技术的兴起，纳米功能复合材料、沉积有纳米级尺度涂层的薄膜材料等迅速成为人们的关注焦点。而微电子机械系统正是纳米薄膜材料应用的关键领域之一。微电子机械系统MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems)是在融合多种微细加工技术，并应用现代信息技术的最新成果的基础上发展起来的高科技前沿学科，是一种全新的必须同时考虑多种物理场混合作用的研发领域。MEMS技术的发展开辟了一个全新的
和产业，米用MEMS技术制作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力电子器件等在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们所接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。MEMS技术正发展成为一个巨大的产业，就像近20年来微电子产业和计算机产业给人类带来的巨大变化一样，MEMS也正在孕育一场深刻的技术变革并对人类社会产生新一轮的影响。其主要包括微型机构、微型传感器、微型执行器和相应的处理电路等几部分。随着对MEMS研究的深入，除了材料电学性能、电化学特性、加工工艺参数外，在产品的设计、加工、测试、实际使用中所遇到的大量力学问题与热学问题正对MEMS的飞速发展带来巨大挑战。同时，纳米尺度下的热力学特性研究有助于微系统结构的设计与功能实现，也为将来定制MEMS结构标准提供了依据。在MEMS中，纳米薄膜扮演着举足轻重的角色，是最为关键的核心部件之一。所谓的纳米薄膜是指尺寸在nm量级的颗粒(晶粒)构成的薄膜或者层厚在nm量级的单层或多层薄膜，通常也称作纳米颗粒薄膜和纳米多层薄膜。纳米薄膜根据它的构成和致密程度又可分为颗粒膜和致密膜。在系统中，往往通过电化学沉积法、磁控溅射法、化学气相沉积法等技术手段将纳米薄膜沉积在各种硬性或柔性基底上，简称为薄膜-基底结构。其在MEMS中有着十分重要的地位。例如:在数据存储器和处理系统的集成电路中就有大量的导体、半导体和绝缘薄膜，在磁盘存储系统中起关键作用的是磁性薄膜等等。薄膜中均会有或压或拉的残余应力，在第1、I1、III类残余应力中，有的高达几个GPa，因此薄膜/基底结构通常是工作在残余应力和热应力以及外加应力的联合作用下。这类薄膜的第一类破坏形式是断裂；第二类则是屈曲、散裂。薄膜在纳米尺度上的变形和损伤直接影响到器件的性能和寿命，因此，将薄膜/基底作为一个基本结构，对其中薄膜的力学、热学行为进行研究，具有十足的必要性和紧迫性。由于沉积在基底上的纳米薄膜往往工作在力-热复合环境下，并且受表面效应、组织结构、加工工艺等影响，薄膜的性能与宏观时相比有显著的不同，许多传统的测试方法与设备已经不再适用。因此，研发出适用于沉积在基底上的纳米薄膜材料的热力复合实验装置具有重大意义。然而，国内外学者往往只研究了薄膜的力学性能或者热学性能，少有对热力复合作用下薄膜性能的探索。这一方面是因为相应装备研发的困难，影响因素多，另一方面是由于薄膜的力学和热学各自对应的研究还远未完善。在热力复合式加载装备开发上，往往是将整个或大部分力加载装置放置于温度控制箱之中，以实现复合加载。例如，Yanaka (Masa-aki Yanaka, Yutaka Kato, Yusuke Tsukahara, “Effects oftemperature on the multiple cracking progress of sub-micron thick glass filmsdeposited on a polymer substrate”，Thin SolidFilms, 355-356(1999)337-342)(“温度对沉积在聚合物基底上的亚微米厚玻璃膜多重裂纹产生过程的影响”，固体薄膜，337-342页，1999年)利用加热炉内的拉伸测试设备研究了温度对沉积在聚合物基底上薄膜的裂纹产生进程的影响。但是，此种复合方式对力加载部分要求高，且装备体积庞大，难以在扫描电镜、原子力显微镜等显微设备下观测。在力学性能测试方法上，大致分为片外测试和片上测试。片外测试主要包括单轴拉伸法、纳米压痕法、衬底曲率法等° Modinski (R.Modlinski, R.Puers, and 1.De Wolf, AlCuMgMn micro-tensilesamples:Mechanical characterization of MEMS materials atmicro-scale, 〃SensorsandActuatorsA:Physical, vol.143, pp.120-128, 2008.)(“招铜镁猛微拉伸测试试样:微尺度下的MEMS材料力学性能表征”，传感器和制动器A:物理，第143卷，120-128页，2008年)等人利用微拉伸测试系统表征了 MEMS材料的力学特性。Espinosa (H.D.Espinosa, B.C.Prorok, and M.Fischer, 〃Α methodology for determining mechanical propertiesoffreestanding thin films and MEMS materials, Journal of the Mechanics andPhysics of Solids, vol.51, pp.47-67, 2003.)(“一种确定自由薄膜和 MEMS 材料力学属性的方法论“，固体力学和固体物理，第51卷，47-67卷，2003年)等人利用原子力显微镜，干涉仪等构成的纳米压痕设备获得了薄膜的非弹性力学性能。但是，薄膜材料易碎，试件加工、安装和夹持比较困难。同时，薄膜的力学性能测试还要求较高分辨率的应力和应变测量。这些都给微小尺度下薄膜力学性能测试带来较大的困难，并且研发费用昂贵。在热学性能测试方法上，主要有激光加热和电阻加热方式，通过热偶、热阻或光反射方法获取温度信息° Goyal (S.Goyal, K.Srinivasan, G.Subbarayan, and T.Siegmund, 〃Anon-contact, thermally-driven buckl ing delamination test to measure interfacialfracture toughness of thin film systems, ^Thin SolidFilms, vol.518, pp.2056-2064, 2010.)(“一种测量薄膜系统界面断裂韧性的非接触式、热驱动屈曲分层测试方法”固体薄膜，第518卷，2056-2064页，2010年)等人利用加热平台、温度控制器、光学显微镜研究了薄膜-基底结构在热驱动下，薄膜的屈曲行为。Chien (H.-C.Chien, C.-R.Yang, L.-L.Liao, C.-K.Liu, M.-J.Dai, R.-M.Tain, et al., Thermal con本文档来自技高网...
【技术保护点】
力?热复合式原位加载系统，它包括与底座相连的步进电机，所述的步进电机的电机轴与双向滚珠丝杠通过联轴器连接，所述的双向滚珠丝杠的两端支撑设置在支撑座内，所述的支撑座固定在底座上，在所述的双向滚珠丝杠上螺纹连接有左、右丝杠螺母，在所述的左、右丝杠螺母上分别安装有左、右载物台，所述的左、右载物台与安装在底座上的导轨通过滑块滑动连接以导向，其特征在于：在所述的左载物台上固定连接有左端支撑和左夹具，基座一端与左载物台固定相连并且其另一端自由悬空，一个力传感器安装在左端支撑和左夹具之间，所述的力传感器的一端与左端支撑固定相连并且其另一端与左夹具固定相连，在所述的左夹具上固定有电热膜，在所述的右载物台上固定连接有右夹具，光栅尺位移传感器的光栅尺读数头固定在所述的右载物台一侧侧面上，光栅尺位移传感器的光栅尺主尺粘接在基座上，所述的右夹具能够压紧安装在左夹具电热膜上的试件设置，所述的步进电机与驱动器相连，所述的力传感器与变送器相连，一个数据采集卡与所述步进电机的驱动器、力传感器的变送器以及光栅尺相连，用于处理温度传感器信号的一个智能温度控制器与所述的电热膜相连，一个温度传感器一端与所述的智能温度控制器相连并且其另一端与试样相连，所述的数据采集卡和智能温度控制器与一台计算机相连，所述的数据采集卡用于采集力传感器和光栅尺的信号并将信号传递给计算机，所述计算机用于处理数据采集卡输入的信号，再通过数据采集卡向步进电机驱动器发送控制信号以驱动步进电机，并且所述计算机用于向智能温度控制器输出温度控制信号并且通过智能温度控制器控制电热膜加热试件。...
【技术特征摘要】
1.-热复合式原位加载系统，它包括与底座相连的步进电机，所述的步进电机的电机轴与双向滚珠丝杠通过联轴器连接，所述的双向滚珠丝杠的两端支撑设置在支撑座内，所述的支撑座固定在底座上，在所述的双向滚珠丝杠上螺纹连接有左、右丝杠螺母，在所述的左、右丝杠螺母上分别安装有左、右载物台，所述的左、右载物台与安装在底座上的导轨通过滑块滑动连接以导向，其特征在于:在所述的左载物台上固定连接有左端支撑和左夹具，基座一端与左载物台固定相连并且其另一端自由悬空，一个力传感器安装在左端支撑和左夹具之间，所述的力传感器的一端与左端支撑固定相连并且其另一端与左夹具固定相连，在所述的左夹具上固定有电热膜，在所述的右载物台上固定连接有右夹具，光栅尺位移传感器的光栅尺读数头固定在所述的右载物台一侧侧面上，光栅尺位移传感器的光栅尺主尺粘接在基座上，所述的右夹具能够压紧安装在左夹具电热膜上的试件设置，所述的步进电机与驱动器相连...
【专利技术属性】
技术研发人员：何巍，王世斌，李林安，张冠华，薛秀丽，贾海坤，郭志明，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：
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