專利名稱：用于薄膜力學性能測試的單軸微拉伸試件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種測試技術領域的拉伸試件，具體地說，涉及一種用于薄膜力 學性能測試的單軸微拉伸試件。
技術背景隨著微機電系統的迅速發(fā)展，各種薄膜材料廣泛應用于微器件中，由于微器 件結構不是傳統機械結構尺寸的簡單縮小，當結構尺寸減少至微米/納米數量級 時，會產生明顯的尺寸效應，導致材料力學、物理等性質發(fā)生顯著變化，所以薄 膜材料微觀力學性能與宏觀材料力學性能有明顯差異，由大體積樣本測得的力學 性能參數已遠不能滿足MEMS器件的設計要求，因此研究薄膜材料微尺度力學性 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特性， 是設計MEMS器件和進行可靠性分析的重要參數。在宏觀力學測試領域，單軸拉 伸試驗力學模型簡單、數據易于分析，已被廣泛用于測量抗拉強度、彈性模量、 泊松比等基本力學參數。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，限制了微尺度力學特性測試，因此迫 切需要解決這一難題。經對現有技術文獻的檢索發(fā)現，Haque等在Experimental Mechanics》(《實 驗力學》，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，然后從背面用化學方法刻蝕硅，形成支撐梁結構 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)點是直接測出應力應變關系，且可測試多種材料和多層復合薄膜。 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，應用范圍受到極大限制
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服現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 金屬、合金和復合材料)的微拉伸測試要求，適于常規(guī)操作，應用范圍寬。本發(fā)明是通過以下技術方案實現的，本發(fā)明包括U型支撐平臺、移動平臺、蛇形支撐彈簧、對中標記及位移標記。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。對中標記位于移動 平臺的上面。位移標記粘接在靠近薄膜試樣、移動平臺的尾端。應變標記位于薄 膜試樣的兩側。測量時U型支撐結構固定在金屬底座上，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力應變曲線。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、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構。此彈簧通過疊層電鍍技 術制成，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。所述對中標記及位移標記是由電鍍金屬鎳形成，對中標記可以選擇不同的形 狀和尺寸，如條形或十字形。位移標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。對中標記保證試樣易于 裝配、對中。與移動平臺集為一體的位移標記垂直度高，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)明設計的框架式微拉伸試件結構與現有國內外薄膜拉伸試樣相比，制備工藝可行，重現性好，成品率高；而且根據非硅材料的特性及試樣的尺寸，可以設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微米范圍內呈線性變化，對于形變小于10%的薄膜試樣均可進行力學性能測試，而Haque系統可測量的形變約是2%。因此，本發(fā)明對于大塑性變形的各種單質金屬、合金和復合材料等非硅材料的測量具有較高的應用價值。


圖1是實施例1硅、鎳支撐結構的微拉伸試件結構示意圖；圖2是實施例1硅、鎳U型支撐平臺結構示意圖；圖3是實施例1移動平臺、對中標記、位移標記示意圖；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、應變標記示意圖；圖6是實施例3金屬鎳U型支撐結構的微拉伸試件結構示意圖；具體實施方式
下面結合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細說明本實施例在以本發(fā)明技術方案 為前提下進行實施，給出了詳細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型支撐結構的微拉伸試件結構。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、對中標記4、位移標記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。對中標記4位于 移動平臺2的上面，位移標記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的應力應變曲線。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、材質與U型支撐 結構相同，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。在此基礎上，在U型支撐結構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的兩側貼有應變標記7。所述應變標記7由電鍍金屬金形成，為矩形結構，長度為30微米、寬度為10微米，厚度為0.5微米，兩個應變標記分別位于薄膜試樣中間細頸段的兩側。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等結構，薄膜力學微拉伸測試時，U型支撐結構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、對中標記4和位移標記5示意圖，由圖可見對
中標記4為一組線條狀圖形構成，由電鍍方法形成。位移標記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型支撐結構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構。圖5是薄膜試樣6和應變標記7示意圖，薄膜試樣與應變標記均由電鍍方法 獲得。應變標記7位于薄膜試樣變形段兩側，為線條狀圖形。薄膜力學拉伸測試時，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 變標記7以及位移標記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系。然后把第一次拉伸得出的數據減去第二次拉 伸的數據，即可得出薄膜試樣所承受的最大載荷，據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力應變曲線。經測試，上 述試樣的最大形變達9.6%。實施例2具有硅、鎳U型支撐平臺的微拉伸試件結構。本實施例的材質、結構和實施例l相同，但各部分尺寸參數不同。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； 對中標記4、應變標記7、位移標記5的尺寸參數與實施例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構。如圖6所示，本實施例微拉伸試件結構包括U型支撐平臺l、移動平臺2、蛇形支撐彈簧3、對中標記4、位移標記5組成。除尺寸參數、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、結構基本與實施例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、材質與U型支撐結 構相同，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； 對中標記4、應變標記7、位移標記5的尺寸參數與實施例1同。經過拉伸試驗，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用于薄膜材料微觀力 學性能測試，該集成式框架微拉伸試件適于微加工技術制備，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、彈性模量等參數的測 量。經對多個特征尺寸在微米級樣品測試結果顯示，數據重復性較好，試樣斷口 呈典型的45°角，表明該微拉伸試件結構設計較為合理。本發(fā)明適用于微機電 系統中的各種單質金屬、合金和復合材料等薄膜材料微觀力學性能測試。
權利要求
1.一種用于薄膜力學性能測試的單軸微拉伸試件，包括U型支撐平臺、移動平臺、位移標記，其特征在于，還包括蛇形支撐彈簧、對中標記，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，對中標記位于移動平臺的上面，位移標記粘接在靠近薄膜試樣、移動平臺的尾端。
2. 根據權利要求1所述的用于薄膜力學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. 根據權利要求1或2所述的用于薄膜力學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. 根據權利要求1或2所述的用于薄膜力學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、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. 根據權利要求1所述的用于薄膜力學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. 根據權利要求1或5所述的用于薄膜力學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. 根據權利要求1所述的用于薄膜力學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構，其線寬為50微米一200微米，厚度為30 微米一200微米。
8. 根據權利要求1或7所述的用于薄膜力學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. 根據權利要求1所述的用于薄膜力學性能測試的單軸微拉伸試件，其特 征是，所述位移標記是正方體或長方體的碳纖維，厚度為200微米。
全文摘要
一種力學性能測試技術的用于薄膜力學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、對中標記、位移標記，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，對中標記位于移動平臺的上面，位移標記粘接在靠近薄膜試樣、移動平臺的尾端。本發(fā)明與國內外現有微拉伸試件相比，制備工藝可行，重現性好，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中的各種單質金屬、合金和復合材料等薄膜材料微觀力學性能測試。
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