專利名稱：微納米薄膜沖擊力學(xué)性能落錘測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)涉及微納米尺度薄膜材料測試，材料沖擊性能測試，具體涉及微納米薄膜沖
擊力學(xué)性能落錘測量裝置。
背景技術(shù)：
1、微納米尺度薄膜材料測試領(lǐng)域 在MEMS器件中，相當(dāng)多的構(gòu)件以厚度幾微米到幾百微米的薄膜形式存在，如，壓 力傳感器和加速度傳感器中的隔膜結(jié)構(gòu)、電子顯微鏡和原子力顯微鏡中的探針懸臂梁等。 作為結(jié)構(gòu)件，這些薄膜承擔(dān)著相當(dāng)大的拉伸或彎曲應(yīng)力。如同宏觀設(shè)計(jì)一樣，構(gòu)件的力學(xué)性 能如楊氏模量、破壞強(qiáng)度等，是必不可少的設(shè)計(jì)參數(shù)，因此，考察微米級薄膜材料的力學(xué)性 能對MEMS構(gòu)件的性能和可靠性起著決定性的作用。薄膜的力學(xué)性能測試需要高精度地測 試應(yīng)力_應(yīng)變或應(yīng)變_時(shí)間關(guān)系。 納米薄膜是指厚度在納米量級的薄膜以及每層厚度都在納米量級的多層薄膜，有 時(shí)也稱為納米晶粒薄膜和納米多層薄膜。納米薄膜是NEMS中常見的結(jié)構(gòu)形式。它有著廣闊 的應(yīng)用前景，如薄膜機(jī)械元件、薄膜光電元件、表面裝飾層、耐磨層以及防腐蝕層等等。由于 NEMS元器件的工作條件惡劣，常常伴隨著高溫差、高電磁場、高應(yīng)力等情況，這對薄膜的機(jī) 械強(qiáng)度、穩(wěn)定性和可靠性等提出較高要求。殘余應(yīng)力嚴(yán)重地影響著納米薄膜的力學(xué)性能。薄 膜中的張應(yīng)力過大會導(dǎo)致薄膜破裂，壓應(yīng)力過大會使薄膜起皺或屈曲。殘余應(yīng)力還會使通 過薄膜元件傳輸?shù)墓怆娦畔l(fā)生畸變，最終導(dǎo)致元器件的失效和破壞。這些結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和 應(yīng)用都要考慮沖擊加載引起的高應(yīng)變率和高應(yīng)力效應(yīng)，顯然靜態(tài)測量的數(shù)據(jù)是有差距的。
2、材料沖擊性能測試領(lǐng)域 材料在使用或運(yùn)輸過程中，經(jīng)常或偶然的撞擊會使其變形或斷裂。沖擊失效是高
速負(fù)載作用下發(fā)生的力學(xué)現(xiàn)象。瞬時(shí)施加的沖擊載荷的沖擊載荷使試件具有很高的應(yīng)變速
率。試件的抗沖性能、沖擊實(shí)驗(yàn)和抗沖保護(hù)。至今還是相當(dāng)復(fù)雜的技術(shù)問題。 沖擊實(shí)驗(yàn)是在沖擊載荷作用下，用于測定材料抗沖性能的方法沖擊強(qiáng)度是評價(jià)材
料抵抗沖擊能力或判斷材料脆性與韌性程度的量度?？箾_擊性能是難于準(zhǔn)確表征力學(xué)參數(shù)
之一，即使是用標(biāo)準(zhǔn)試樣及標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)方法，也只能得出在特定條件下只有相對比較意義的
實(shí)驗(yàn)結(jié)果。材料沖擊實(shí)驗(yàn)的方法有落錘式、落錘式。 沖擊斷裂形式主要分塑性和脆性兩大性。在沖擊下的塑性斷裂有明顯的屈服的現(xiàn) 象，有頗在應(yīng)變，是在頸縮中斷裂。脆性斷裂是一種多裂口斷裂，有細(xì)小尖片，并有表面光滑 的區(qū)域。沖擊中首批活動裂紋，瞬時(shí)轉(zhuǎn)變成不穩(wěn)定生長的裂縫，觸發(fā)斷裂。無定形聚合物的 斷裂斷面上，除光滑的鏡面外，其余為較粗糙的指紋狀。結(jié)晶型聚合物的斷裂斷面，多數(shù)呈 麻紋狀態(tài)。而納米薄膜在沖擊下會表現(xiàn)出不同的現(xiàn)象。
3、落錘實(shí)驗(yàn)發(fā)展現(xiàn)狀 現(xiàn)有的落錘式?jīng)_擊實(shí)驗(yàn)機(jī)適用于材料試樣或制品進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)，是用以評價(jià)材料 抗沖擊性能的一種測試儀器。同時(shí)，也可以對同種材料、同種規(guī)格的試樣進(jìn)行沖擊對比實(shí)驗(yàn)，以鑒定材料質(zhì)量的優(yōu)劣。其原理在規(guī)定的沖擊條件下，選擇落錘質(zhì)量(也可以選擇一 定沖擊高度而變換落錘動量)，釋放落錘沖擊試樣，測出材料沖擊破壞所需的能量。試樣 經(jīng)沖擊作用后出現(xiàn)用肉眼在自然光線下可見的裂紋、龜裂和破碎的現(xiàn)象稱為破壞。傳統(tǒng)的 落錘實(shí)驗(yàn)機(jī)所測的試件均為宏觀尺度；而且其載荷過大，很難對微納米薄膜試件進(jìn)行加載； 其所測量試件的破壞程度必須用肉眼觀察到，無法測量微尺度的破壞。 現(xiàn)有的微納米尺度薄膜材料測量，主要停留在靜態(tài)測量階段，其測量內(nèi)容大多為 薄膜的靜態(tài)強(qiáng)度、薄膜硬度、楊氏模量、泊松比等材料參數(shù)，并未涉及沉積在基底上的微納 米尺度薄膜的動態(tài)沖擊強(qiáng)度。 沉積在基底上的微納米薄膜在動態(tài)沖擊載荷下會發(fā)生破壞。其破壞形式是薄膜從 基底上脫粘，并發(fā)生屈曲，隨著沖擊的加大和沖擊次數(shù)的增多，薄膜會發(fā)生斷裂。破壞后的 薄膜無法繼續(xù)使用，所以檢測薄膜的耐沖擊性能，觀察薄膜在一定沖擊下的破壞情況，對薄 膜的使用具有非常重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采 用的技術(shù)方案是，微納米薄膜沖擊力學(xué)性能落錘測量裝置，包括于一定的高度作自由落體 運(yùn)動來沖擊試件的重量可調(diào)落錘，重量可調(diào)落錘固接在兩個(gè)滑塊上，兩個(gè)滑塊通過內(nèi)置直 線軸承在兩平行的垂直導(dǎo)軌上滑動，兩平行的垂直導(dǎo)軌兩端固定在導(dǎo)軌固定板，導(dǎo)軌固定 板固定在落錘裝置架上，落錘裝置架固定在裝置底板，重量可調(diào)落錘錘頭安裝有壓電型力 傳感器。 設(shè)置有位移傳感器，可對沖擊端面的動態(tài)位移進(jìn)行精確測量。 還設(shè)置有落錘觸發(fā)裝置，用于重量可調(diào)落錘抬升后由觸發(fā)裝置卡住，做到瞬時(shí)觸 發(fā)。
本發(fā)明具有如下突出的優(yōu)點(diǎn) 本發(fā)明解決了原有設(shè)備無法對沉積在基底上的微納米薄膜動態(tài)沖擊性能的測試 問題。同時(shí)解決了原有設(shè)備無法對薄膜破壞后的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察的問題。為薄膜基底二 元結(jié)構(gòu)在動態(tài)沖擊下的破壞機(jī)理的研究提供了必要條件。 本發(fā)明是專門針對沉積在基底上的微納米薄膜而設(shè)計(jì)，可測薄膜基底二元結(jié)構(gòu)的 尺寸靈活，大小多樣，填補(bǔ)了落錘式實(shí)驗(yàn)機(jī)不能測量薄膜基底二元結(jié)構(gòu)沖擊性能的空白。
原有的落錘式實(shí)驗(yàn)機(jī)測量內(nèi)容主要集中在宏觀試件的抗沖擊性能，試樣經(jīng)沖擊作 用后出現(xiàn)用肉眼在自然光線下可見的裂紋、龜裂和破碎的現(xiàn)象稱為破壞。而微納米薄膜的 破壞是肉眼無法識別的，本發(fā)明則可觀測出微納米尺度的破壞。 本與原有落錘式設(shè)備均設(shè)有力傳感器，可精確測量沖擊力的大小，同時(shí)本發(fā)明較 之原有設(shè)備增設(shè)了位移傳感器，可對沖擊端面的動態(tài)位移進(jìn)行精確測量。


圖1落錘沖擊實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
①落錘裝置架，
②導(dǎo)軌固定板，
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③裝置底板， ④豎直平行導(dǎo)軌， ⑤內(nèi)置直線軸承的滑塊， ⑥重量可調(diào)落錘錘頭， ⑦安裝在錘頭的壓電型力傳感器 ⑧試件臺 ⑨觸發(fā)裝置 圖2落錘沖擊實(shí)驗(yàn)裝置試件臺示意圖。 ①試件臺 ②懸臂梁式位移傳感器 ③懸臂梁傳感器的固定裝置 ④用來保證傳感器和試件有相同位移的剛性薄板 ⑤試件。 圖3是沖擊過程的時(shí)間_力曲線圖。 圖4是沖擊過程的時(shí)間_應(yīng)變曲線。 圖5是本發(fā)明試件沖擊前、后微觀相片。 圖6是試件受沖擊端面位移(試件變形量)采集裝置組成圖。 圖7是懸臂梁式位移傳感器。 圖8是懸臂梁式位移傳感器橋路系統(tǒng)。 圖9是沖擊載荷測試裝置組成圖。 圖10是落錘觸發(fā)裝置。 圖11是落錘錘頭和配重砝碼。 圖12是滑塊。
具體實(shí)施例方式
當(dāng)前國內(nèi)外對于薄膜結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)研究多集中在靜態(tài)力學(xué)性能的描述上，而薄膜結(jié)
構(gòu)的器械也經(jīng)常用于各種沖擊力作用的場合下，因此對于沖擊載荷下薄膜結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的
研究是非常有意義的。此設(shè)計(jì)主要目的是實(shí)時(shí)觀察沖擊載荷下薄膜屈曲的過程，得到此過
程中薄膜端面的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系；測試薄膜基底二元結(jié)構(gòu)動態(tài)沖擊下的臨界載荷。 落錘沖擊裝置是利用具有一定質(zhì)量的重錘于一定得高度作自由落體運(yùn)動來沖擊
試件，配有錘頭的滑塊通過內(nèi)置直線軸承在平行導(dǎo)軌上滑動，可以通過改變滑塊的位置和
錘頭重量獲得不同的沖擊力，采用直線軸承使落錘與導(dǎo)軌之間具有很好的導(dǎo)向和較小的摩
擦阻力。 本實(shí)驗(yàn)裝置是專門針對沉積在基底上的微納米薄膜而設(shè)計(jì)，其沖擊載荷大小適用 于微納米材料的測試?？蓽y薄膜基底二元結(jié)構(gòu)的尺寸靈活，大小多樣，填補(bǔ)了擺錘實(shí)驗(yàn)機(jī)不 能測量薄膜基底二元結(jié)構(gòu)沖擊性能的空白。 利用落錘沖擊實(shí)驗(yàn)原理，結(jié)合薄膜基底二元結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，合理優(yōu)化結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn) 了對沉積在基底上的微納米薄膜的沖擊加載過程。落錘裝置主要由螺桿式可配重錘頭、螺 孔式配配重砝碼、滑塊、導(dǎo)軌、上板、底板、載物底座、觸發(fā)裝置等七部分構(gòu)成。錘頭為主要加
5載部件，直接對試件施加沖擊；配重砝碼可增加錘頭重量，達(dá)到改變沖擊載荷的目的；滑塊 通過導(dǎo)軌自由滑落，帶動錘頭對試件施加沖擊，采用直線軸承使落錘與導(dǎo)軌之間具有很好 的導(dǎo)向和較小的摩擦阻力；上板和底板起到固定導(dǎo)軌的作用；載物底座固定在地板上，起 到夾持試件和采集位移的作用；滑塊吊起時(shí)，由觸發(fā)裝置卡住，觸發(fā)后滑塊自由下落，沖擊 試件。 (1)適用于微納米薄膜試件實(shí)驗(yàn)以下設(shè)計(jì)保證了該功能切實(shí)有效的實(shí)施。
沖擊載荷小，適用于微納米薄膜試件的測試?？勺杂烧{(diào)整落錘下落高度，以達(dá)到調(diào) 整沖擊載荷大小的目的。采用多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)重量塊配重，可靈活控制落錘質(zhì)量，調(diào)整沖擊載荷。 采用直線軸承使落錘與導(dǎo)軌之間具有很好的導(dǎo)向和較小的摩擦阻力。觸發(fā)裝置反應(yīng)迅速， 操作方便。落錘抬升后由觸發(fā)裝置卡住，可做到瞬時(shí)觸發(fā)。使用剛性薄板和彈簧對試件進(jìn) 行夾持，有效防止沖擊過程中試件蹦出，避免操作人員受傷。該夾持方法可避免對試件的損 傷。
(2)同步采集沖擊力和試件變形量。這是原有的落錘沖擊實(shí)驗(yàn)機(jī)不具備的功能。
小沖擊載荷的測量錘頭安裝壓電式力傳感器，可獲得小沖擊載荷下的力時(shí)程曲 線。 試件變形量位移傳感器固定在落錘沖擊裝置的載物底座上，用于沖擊過程中 測量試件的受載面位移，即試件變形量。該傳感器為自行設(shè)計(jì)的懸臂梁結(jié)構(gòu)，其精度可達(dá) 50nm。
有益效果 原有的落錘式實(shí)驗(yàn)機(jī)其測量范圍為大尺度試件，無法對微納米尺度薄膜沖擊破壞 進(jìn)行測量。而本實(shí)驗(yàn)裝置是專門針對沉積在基底上的微納米薄膜而設(shè)計(jì)，可測薄膜基底二 元結(jié)構(gòu)的尺寸靈活，大小多樣，填補(bǔ)了落錘式實(shí)驗(yàn)機(jī)不能測量薄膜基底二元結(jié)構(gòu)沖擊性能 的空白。 原有的落錘式實(shí)驗(yàn)機(jī)測量內(nèi)容主要集中在宏觀試件的抗沖擊性能，試樣經(jīng)沖擊作 用后出現(xiàn)用肉眼在自然光線下可見的裂紋、龜裂和破碎的現(xiàn)象稱為破壞。而微納米薄膜的 破壞是肉眼無法識別的，本實(shí)驗(yàn)裝置則可測出微納米尺度的破壞。 該設(shè)備與原有落錘式設(shè)備均設(shè)有力傳感器，可精確測量沖擊力的大小。同時(shí)較之 原有設(shè)備增設(shè)了位移傳感器，可對沖擊端面的動態(tài)位移進(jìn)行精確測量。
以厚度為500nm的鈦膜進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)為例說明其有益效果。 將落錘調(diào)至特定的高度，顯微鏡的放大倍數(shù)調(diào)至480倍，對厚度為500nm的鈦膜進(jìn) 行沖擊實(shí)驗(yàn)。 在沖擊過程中，都連續(xù)采集了 IOO幅圖片。沖擊結(jié)束后薄膜表面產(chǎn)生了大量量的 屈曲，并且多數(shù)屈曲都是沿著表面劃痕或是裂紋生長的，多次次沖擊后很多屈曲擴(kuò)展后連 接在一起，形成了很大的脫粘區(qū)域，此時(shí)薄膜結(jié)構(gòu)已經(jīng)很不穩(wěn)定了。 按此操作，通過改變沖擊載荷的大小，則可測出薄膜基底二元結(jié)構(gòu)破壞時(shí)的沖擊
載荷。也可測量不同薄膜在相同沖擊下的材料優(yōu)劣性能。 本發(fā)明裝置實(shí)驗(yàn)時(shí)具體實(shí)施步驟如下 (1)安裝試件，使試件鍍膜的一面朝向顯微鏡鏡頭。(2)安裝位移傳感器。
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(3)調(diào)整顯微鏡位置，使鏡頭正對試件。調(diào)整顯微鏡，直至視場內(nèi)獲得清晰圖像。
(4)按需要設(shè)置的配重質(zhì)量。將滑塊抬起一定高度，并用觸發(fā)裝置卡住。
(5)觸發(fā)，并采集圖像和數(shù)據(jù)。
使用時(shí)需注意以下幾點(diǎn) (1)提高配重砝碼的加工精度，精確控制沖擊載荷，以達(dá)到精確測量結(jié)構(gòu)臨界載荷 的目的。
(2)提高力傳感器的技術(shù)指標(biāo)，更加及時(shí)精確地測量沖擊載荷的大小。
(3)試件的加工精度會影響夾持效果。加工試件時(shí)，必須使兩夾持面保持平行。
(4)控制周圍環(huán)境的振動，以免引起測試數(shù)據(jù)的失真。
(5)測試試件破壞過程時(shí)，需配備高速攝像系統(tǒng)和顯微成像系統(tǒng)。高速攝像幀率越 高，測試越精準(zhǔn)。顯微成像放大倍數(shù)根據(jù)試件而定，并不是越高越好。
(6)力傳感器和位移傳感器在使用前必須標(biāo)定，以減小數(shù)據(jù)誤差。
(7)安裝試件時(shí)注意不要人為破壞試件表面薄膜。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，進(jìn)一步詳細(xì)說明本發(fā)明。 如圖6所示，懸臂梁式位移傳感器自由段卡在剛性薄板兩端(如試件臺示意圖部 件 所示)。進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)時(shí)，落錘直接作用在剛性薄板上，剛性薄板把沖擊載荷傳遞給試 件的受沖擊面，同時(shí)把試件端面位移(即變形量)傳遞給懸臂梁位移傳感器的自由端，并轉(zhuǎn) 換為懸臂梁的應(yīng)變信號經(jīng)動態(tài)應(yīng)變儀傳遞給計(jì)算機(jī)。
如圖7、圖8所示，位移傳感器 結(jié)合已有的應(yīng)變片電測技術(shù)及懸臂梁結(jié)構(gòu)制作位移傳感器。用它來測量沖擊過程 中試件沖擊端面的位移變化。應(yīng)變片電測技術(shù)、懸臂梁式位移傳感器均為已有技術(shù)。兩個(gè) 傳感器分別置于試件頂端剛性薄板的兩端，每個(gè)傳感器上下表面各貼一電阻應(yīng)變片，兩個(gè) 傳感器上的四個(gè)電阻應(yīng)變片組成一個(gè)全橋的測量電路。 如圖9，壓電式力傳感器安裝在落錘錘頭上，在進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)事測量沖擊載荷。壓
電式力傳感器、電荷放大器均為已有產(chǎn)品，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求選定。
如圖10所示，落錘觸發(fā)裝置 固定部件。調(diào)整觸發(fā)裝置在導(dǎo)軌上的高度，以此控制落錘的高度。
觸發(fā)桿開關(guān)上端為觸發(fā)端，下端為卡子。主抬升后的落錘被卡子固定，按下觸發(fā)
端后，落錘自由下落，沖擊試件。
彈簧提供固定落錘所需的力。 圖11是落錘錘頭和配重砝碼，錘頭和配重砝碼都加工有螺紋。裝置配備多個(gè)具有 標(biāo)準(zhǔn)重量的配重砝碼，可通過螺紋改變錘頭重量。 圖12是滑塊，滑塊正中小孔為安裝錘頭位置。兩邊打孔中設(shè)有軸承，可是滑塊沿 導(dǎo)軌自由滑動。
權(quán)利要求
一種微納米薄膜沖擊力學(xué)性能落錘測量裝置，其特征是，包括于一定的高度作自由落體運(yùn)動來沖擊試件的重量可調(diào)落錘，重量可調(diào)落錘固接在兩個(gè)滑塊上，兩個(gè)滑塊通過內(nèi)置直線軸承在兩平行的垂直導(dǎo)軌上滑動，兩平行的垂直導(dǎo)軌兩端固定在導(dǎo)軌固定板，導(dǎo)軌固定板固定在落錘裝置架上，落錘裝置架固定在裝置底板，重量可調(diào)落錘錘頭安裝有壓電型力傳感器。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微納米薄膜沖擊力學(xué)性能落錘測量裝置，其特征是，設(shè) 置有位移傳感器，可對沖擊端面的動態(tài)位移進(jìn)行精確測量。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微納米薄膜沖擊力學(xué)性能落錘測量裝置，其特征是，還 設(shè)置有落錘觸發(fā)裝置，用于重量可調(diào)落錘抬升后由觸發(fā)裝置卡住，做到瞬時(shí)擊發(fā)。
全文摘要
本發(fā)明涉及微納米尺度薄膜材料測試，材料沖擊性能測試，具體講涉及微納米薄膜沖擊力學(xué)性能落錘測量裝置。為提供一種微納米薄膜沖擊力學(xué)性能落錘測量裝置，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，微納米薄膜沖擊力學(xué)性能落錘測量裝置，包括于一定的高度作自由落體運(yùn)動來沖擊試件的重量可調(diào)落錘，重量可調(diào)落錘固接在兩個(gè)滑塊上，兩個(gè)滑塊通過內(nèi)置直線軸承在兩平行的垂直導(dǎo)軌上滑動，兩平行的垂直導(dǎo)軌兩端固定在導(dǎo)軌固定板，導(dǎo)軌固定板固定在落錘裝置架上，落錘裝置架固定在裝置底板，重量可調(diào)落錘錘頭安裝有壓電型力傳感器。本發(fā)明主要用于微納米尺度薄膜材料測試。
文檔編號G01M7/08GK101776511SQ20101010292
公開日2010年7月14日 申請日期2010年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月29日
發(fā)明者張敏, 李林安, 王世斌, 賈海坤 申請人:天津大學(xué)