本發(fā)明涉及微機電系統(tǒng)MEMS器件裝置，特別是一種測量薄膜應(yīng)變與熱導(dǎo)率的裝置及方法。

背景技術(shù)：

伴隨著微機電系統(tǒng)MEMS技術(shù)的快速發(fā)展，各類性能優(yōu)良的薄膜器件應(yīng)運而生，其中，在熱場下工作的MEMS器件類型越來越多，用量也越來越大，例如微型紅外光源、微氣體傳感器、高溫MEMS壓力傳感器，工作溫度達數(shù)百甚至上千攝氏度，并存在交變溫度場，這對薄膜結(jié)構(gòu)與材料服役的可靠性提出更高的要求。特別在傳感器領(lǐng)域，測量一些基本物理量時，器件難免會發(fā)生相應(yīng)的形變，產(chǎn)生應(yīng)變，薄膜的應(yīng)變反應(yīng)了薄膜的內(nèi)部狀態(tài)，是決定薄膜完整性的重要因數(shù)，也是決定器件能不能正常工作的重要因數(shù)之一，當(dāng)薄膜的應(yīng)變過大，可能會出現(xiàn)斷裂、塑形變形、脫落，使薄膜損傷，進而使整個器件失去工作能力，針對半導(dǎo)體薄膜材料的研究表明，應(yīng)變對半導(dǎo)體納米材料的結(jié)構(gòu)及其性質(zhì)的調(diào)控作用起著至關(guān)重要的影響，例如半氟化的單層氮化鎵納米薄膜可以通過應(yīng)變來實現(xiàn)鐵磁化和反鐵磁化相互轉(zhuǎn)變，同時薄膜器件的熱導(dǎo)率直接影響器件散熱效率。

例如在專利(授權(quán)公告號CN 103822736 B)“一種確定周邊夾緊的圓薄膜集中力下薄膜應(yīng)變值的方法”(何曉婷、孫俊貽、鄭周練、蔡珍紅等)中，采用一個帶有無摩擦平底的圓柱作為加載軸，在圓薄膜的中心處施加一個橫向載荷，通過這種方法可以得到某點處的薄膜應(yīng)力值，不同的半徑對應(yīng)不同的應(yīng)力值，也就是不同的應(yīng)變，但是這種方法不同半徑處的應(yīng)變是不相等的，這不能滿足我們對應(yīng)變的需求；例如在專利(授權(quán)公告號CN 102001617 B)“一種柔性電子器件位移加載裝置及方法”(馮雪、蔣東杰、王永)中，詳細的闡述了利用直流電源、支架、導(dǎo)軌、彈簧等來達到需要的薄膜的應(yīng)變的方法，通過控制直流電流的大小，間接得到應(yīng)變的大小，這種方法得到的應(yīng)變不是線性的，并且裝置復(fù)雜，依舊滿足不了需求。

因此研究薄膜器件中應(yīng)變與材料的熱導(dǎo)率的關(guān)系變得越來越突出，特別是薄膜材料的熱導(dǎo)率與應(yīng)變的關(guān)系，直接影響材料的使用性能，熱導(dǎo)率對MEMS器件有著極其重要的作用和潛在的應(yīng)用價值。這就需要在確定溫度下，研究材料應(yīng)變與熱導(dǎo)率的關(guān)系，材料的應(yīng)變必須滿足測量區(qū)域內(nèi)應(yīng)變是相等的要求。因此，研究一種周邊簡支固定的圓形薄膜承受集中圓環(huán)載荷下薄膜應(yīng)變與薄膜熱導(dǎo)率的裝置，使得其簡單易于實現(xiàn)，并且理論方法成熟可靠成為目前本領(lǐng)域亟待解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種周邊簡支固定的圓形薄膜承受集中圓環(huán)載荷下薄膜應(yīng)變與薄膜熱導(dǎo)率的裝置。

本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案來實現(xiàn)的。

一種測量薄膜應(yīng)變與熱導(dǎo)率的裝置，包括一個底座，一個設(shè)置在底座上的外殼，所述底座上設(shè)有加載端，鍍有薄膜的基底放置在加載端并與外殼上部的簡支固定端相接，在加載端下方設(shè)有一個精密導(dǎo)桿，鍍有薄膜的基底上濺射有測試電極和一根金屬條，測試電極與外部具有鎖相放大模塊的檢測系統(tǒng)相連，并連接至計算機；

通過精密導(dǎo)桿的旋進位移S使得鍍有薄膜的基底上的薄膜產(chǎn)生應(yīng)變，通過控制進給位移S來控制薄膜應(yīng)變的大小，通過向測試電極通入周期性電流I_ω，計算機讀取從測試電極采集的3ω諧波的成分U_3ω的大小得到薄膜的熱導(dǎo)率。

作為優(yōu)選，所述外殼為帶有圓孔的扣蓋狀，簡支固定端在圓孔內(nèi)沿底部呈凸起狀；所述加載端為圓盤狀，在盤面頂部周邊設(shè)有呈凸起的加載圓環(huán)半球。

進一步，所述加載圓環(huán)半球與鍍有薄膜的基底接觸為線接觸，且接觸面在同一個水平面內(nèi)。

作為優(yōu)選，所述薄膜表面按照3ω測薄膜導(dǎo)熱率方法濺射四個焊盤，采用MEMS工藝將一根幾何尺度為微米級的金屬條制作在薄膜表面，四個焊盤連接金屬條，所述焊盤包括兩個電流焊盤和兩個電壓焊盤作為測試電極，其形狀為兩對電流正負極端子和電壓正負極端子按照π形分布在金屬條端部。

作為優(yōu)選，所述加載端的最大壓入深度與薄膜的厚度相同。

進一步，精密導(dǎo)桿的螺距精確度與鍍有的薄膜厚度的比值不大于10^-2。

本發(fā)明相應(yīng)給出了一種利用所述裝置測量薄膜應(yīng)變與熱導(dǎo)率的方法，包括下述步驟：

1)在半徑是R的圓形基底上均勻的沉積一層厚度是t、楊氏模量E、泊松比為μ的待測薄膜；

2)在小于半徑R₀的鍍有薄膜的基底表面濺射測試電極，同時采用MEMS工藝將一根幾何尺度為微米級的金屬條制作在薄膜表面，其中(R₀＜R)R₀為加載端上的加載圓環(huán)半球到加載端圓心的距離；

3)通過精密導(dǎo)桿施加一個位移S，對應(yīng)到加載端的加載圓環(huán)半球與簡支固定端在薄膜上產(chǎn)生一個相應(yīng)的周向應(yīng)變ε_θ，即為待測材料的應(yīng)變；

4)將步驟2)已經(jīng)制備好的基底放在裝置加載端的加載圓環(huán)半球表面，對測試電極的兩個電流焊盤通入周期性電流I_ω，將電壓測試電極接到外部具有鎖相放大模塊的檢測電路中，利用計算機直接讀取采集的數(shù)據(jù)，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，記錄此時3ω諧波的成分U_3ω的大?。?/p>

5)通過控制進給位移S，來控制應(yīng)變的大小，以應(yīng)變?yōu)樽宰兞?，通過計算機讀取的3ω諧波的成分U_3ω的大小得到薄膜的熱導(dǎo)率k。

本發(fā)明的有益效果在于：

該裝置結(jié)構(gòu)簡單，易于操作，薄膜產(chǎn)生的應(yīng)變數(shù)量級的大小，以及薄膜應(yīng)變在一個確定的區(qū)域內(nèi)無明顯變化的特點，完全滿足測量薄膜不同應(yīng)變下的熱導(dǎo)率的要求；測量方法成熟可靠，并且能夠?qū)嶋H應(yīng)用。

附圖說明

圖1為加載裝置的主視圖。

圖2(a)-(c)分別為加載外殼的主視圖、側(cè)視圖和俯視圖。

圖3為濺射測試電極的形狀。

圖4為3ω法測量薄膜熱導(dǎo)率時電極連接示意圖。

圖5為薄膜、基底、焊盤位置示意圖。

圖6為半徑R₀與應(yīng)變關(guān)系圖。

圖7為導(dǎo)桿行程與應(yīng)變關(guān)系圖。

圖中：1-測量裝置的加載圓環(huán)半球；2-外殼；3-底座；4簡支固定端；5-鍍有薄膜的基底；6-加載端；7-精密導(dǎo)桿。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對發(fā)明作進一步的詳細說明，但并不作為對發(fā)明做任何限制的依據(jù)。

如圖1、圖2(a)-(c)所示，本發(fā)明測量薄膜應(yīng)變與熱導(dǎo)率的裝置，包括一個底座3，一個設(shè)置在底座3上的外殼2，底座3上設(shè)有加載端6，鍍有薄膜的基底5放置在加載端6并與外殼2上部的簡支固定端4相接，在加載端6下方設(shè)有一個精密導(dǎo)桿7，鍍有薄膜的基底5上濺射有測試電極和一根金屬條，測試電極與外部具有鎖相放大模塊的檢測系統(tǒng)相連，并連接至計算機；通過精密導(dǎo)桿7的旋進位移S使得鍍有薄膜的基底5上的薄膜產(chǎn)生應(yīng)變，通過控制進給位移S來控制薄膜應(yīng)變的大小，通過向測試電極通入周期性電流I_ω，計算機讀取從測試電極采集的3ω諧波的成分U_3ω的大小得到薄膜的熱導(dǎo)率。

該裝置的外殼為帶有圓孔的扣蓋狀，簡支固定端4在圓孔內(nèi)沿底部呈凸起狀；所述加載端為圓盤狀，在盤面頂部周邊設(shè)有呈凸起的加載圓環(huán)半球1。薄膜試樣基底材料的具有較高的彈性模量，基底最好是圓形，上下表面要足夠的光滑，保證測試材料均勻分布在基底表面，直徑可以根據(jù)裝置的實際大小來定。

如圖3、圖4所示，薄膜表面嚴(yán)格按照3ω測薄膜導(dǎo)熱率方法濺射四個焊盤，采用MEMS工藝將一根幾何尺度為微米級的金屬條制作在薄膜表面，四個焊盤連接金屬條，焊盤包括兩個電流焊盤和兩個電壓焊盤作為測試電極，其形狀為兩對電流正負極端子和電壓正負極端子按照π形分布在金屬條端部。

在鍍有薄膜的基底5表面鍍有一層薄膜，并且鍍有薄膜的基底5的最大壓入深度與薄膜的厚度相同。旋進精密導(dǎo)桿7的螺距精確度與鍍膜厚度的比值不大于10^-2。加載圓環(huán)半球1與鍍有薄膜的基底5接觸為線接觸，且接觸面在同一個水平面內(nèi)。

本發(fā)明測量薄膜應(yīng)變與熱導(dǎo)率的具體方法是：

將厚度是t、楊氏模量E、泊松比為μ、半徑是R的圓形薄膜，采用周邊簡支固定方式，通過一端是半徑為a的圓環(huán)半球體的精密導(dǎo)桿控制進給位移S，精密導(dǎo)桿所在的圓環(huán)半球施加載荷時應(yīng)保持和圓形薄膜在同一個軸線上，利用靜力學(xué)平衡和彈性薄板的撓度理論，可以得到中間圓板的撓度方程，利用類似的方法分析得到半徑在R₀和R之間的圓板的撓度方程，分析表明應(yīng)變的大小僅僅是位移S的函數(shù)，由連續(xù)性原則得到，當(dāng)半徑等于R₀時，二部分的撓度值相等，通過精密螺紋行程，可以得到半徑在R₀和R之間的圓板的擾度值(即進給位移S的大小)，進而計算出中間圓形薄膜周向應(yīng)變和徑向應(yīng)變值，采用3ω測量方法測量薄膜的熱導(dǎo)率，既實現(xiàn)了薄膜在不同應(yīng)變下的熱導(dǎo)率的測量。

具體方法如下：

步驟一：如圖5所示，在半徑是R的圓形基底上均勻的沉積一層厚度是t、楊氏模量E、泊松比為μ的待測薄膜。

步驟二：如圖4和圖5所示，在小于半徑R₀的鍍有薄膜的基底表面濺射測試電極，同時采用MEMS工藝將一根幾何尺度為微米級的金屬條制作在薄膜表面，其中，R₀＜R，R₀為加載端上的加載圓環(huán)半球到加載端圓心的距離。

步驟三：在其半徑R₀(R₀＜R)處通過精密導(dǎo)桿施加一個較小的位移S，對應(yīng)到加載端的加載圓環(huán)半球與簡支固定端在待測薄膜上產(chǎn)生一個相應(yīng)的周向應(yīng)變ε_θ，即為待測材料的應(yīng)變。采用周邊簡支固定方式，通過一端是半徑為a的圓環(huán)半球體的精密導(dǎo)桿控制進給位移S，精密導(dǎo)桿上的半球在施加載荷的時候應(yīng)保持和圓形薄膜在同一軸線位置，基于這個軸對稱圓形薄膜問題的靜力學(xué)以及撓度理論分析如下。

首先對R₀<r<R圓環(huán)薄膜基底進行分析，薄膜基底受到的橫向剪力是：

帶入到相應(yīng)的平衡方程：

薄膜厚度是t、楊氏模量E、泊松比為μ；D表示的圓形薄膜基底的抗彎剛度；ω(r)表示薄膜基底撓度方程；Q_r表示受到的橫向剪力；F表示圓環(huán)集中載荷力。

對r連續(xù)積分三次，得到R₀<r<R圓環(huán)薄膜基底撓度方程：

代入相應(yīng)的邊界條件：

r＝R,ω(r)＝0,M_r＝0；r＝R₀,M_r＝0

M_r表示的圓形薄膜基底受到的徑向彎矩。

得到R₀<r<R圓環(huán)薄膜基底撓度方程是：

當(dāng)r＝R₀時，S＝ω(r)，可進一步得到圓環(huán)集中載荷F的大小為：

再對中間圓形薄膜基底r≤R₀進行分析，此時受到的剪力是：

Q_r＝0

帶入到相應(yīng)的平衡方程：

對r連續(xù)積分三次，得到r≤R₀圓薄膜基底撓度方程：

代入相應(yīng)的邊界條件：

r＝0,θ₁(0)＝0；r＝R₀,ω₁(R₀)＝ω(R₀),θ₁(R₀)＝θ(R₀)

θ₁(r)表示的是半徑不大于R₀的圓形薄膜基底的轉(zhuǎn)角，θ(r)表示的是半徑在R與R₀之間的圓環(huán)薄膜基底的轉(zhuǎn)角。

同時知道徑向應(yīng)變和周向應(yīng)變與撓度的關(guān)系是：

其中z表示的是薄膜基底距離中性面的厚度值，若是圓薄膜的表面則：

由以上得知，即徑向應(yīng)變和周向應(yīng)變只與C₁有關(guān)，得到r≤R₀圓薄膜基底撓度方程ω₁(r)中C₁是：

最后得到：

當(dāng)r＝R₀，利用S＝ω(R₀)＝ω₁(R₀)關(guān)系可進一步可得到：

式中t是薄膜的厚度、μ為泊松比，R₀為加載端上的加載圓環(huán)半球到加載端圓心的距離，R為加載圓環(huán)半球與基底接觸輪廓的半徑，S為精密導(dǎo)桿的位移。

結(jié)論：

(1)此時應(yīng)變表示的是中間薄膜(半徑不大于R₀)的應(yīng)變，可以看出應(yīng)變的大小是導(dǎo)桿位移S的函數(shù)，由以上公式得到ε_θ與導(dǎo)桿位移S是線性關(guān)系；

(2)周向應(yīng)變ε_θ與加載端上的加載圓環(huán)半球到加載端圓心的距離R₀具有函數(shù)關(guān)系。通過導(dǎo)桿螺紋行程即位移S，得到周向應(yīng)變ε_θ，在圓形薄膜表面濺射測試電極，以周向應(yīng)變ε_θ作為度量圓形薄膜表面的應(yīng)變，采用3ω方法測量薄膜的熱導(dǎo)率。

3ω測量方法已經(jīng)被證實是一種測試薄膜熱導(dǎo)率非常有效的方法。一條較薄的電傳導(dǎo)的金屬線被沉積在待測樣品上，測試電極形狀與位置見圖3與圖4。在標(biāo)注電流的二個焊盤上通入頻率是ω的周期性電流I_ω，這條金屬條既是加熱器又是溫度傳感器，金屬條上將會產(chǎn)生頻率為2ω的焦耳熱，熱擴散波的幅值和相位根據(jù)材料的熱導(dǎo)率k和比熱容c來變化，通過加熱器測得的電壓包含一個的3ω諧波的成分U_3ω，這部分電壓就是材料的熱物性產(chǎn)生的信息。相關(guān)理論已經(jīng)證明U_3ω與k存在f(U_3ω,k)函數(shù)關(guān)系_。

步驟四：將步驟二已經(jīng)制備好的基底放在裝置加載端的加載圓環(huán)半球表面，對測試電極的兩個電流焊盤通入周期性電流I_ω，將電壓測試電極接到外部具有鎖相放大模塊的檢測電路中，利用計算機直接讀取采集的數(shù)據(jù)，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，記錄此時3ω諧波的成分U_3ω的大小。

步驟五：通過控制進給位移S，來控制應(yīng)變的大小，以應(yīng)變?yōu)樽宰兞浚ㄟ^計算機讀取的3ω諧波的成分U_3ω的大小得到待測薄膜的熱導(dǎo)率k。

所述薄膜的熱導(dǎo)率k與諧波的成分U_3ω通過下式得到：

式中，k為熱導(dǎo)率，P/l分別表示金屬條加熱膜單位長度的加熱功率，ΔT表示溫度波動，U₀表示基波電壓，R’₀為金屬條初始電阻值，dR，/dT表示電阻隨溫度的變化率，U_3ω表示含有3ω諧波的電壓。

此方法理論依據(jù)強，薄膜產(chǎn)生的應(yīng)變數(shù)量級的大小，以及薄膜應(yīng)變在一個確定的區(qū)域內(nèi)大小一致的特點，完全滿足測量薄膜不同應(yīng)變下的熱導(dǎo)率的要求；測量方法成熟可靠，并且能夠?qū)嶋H應(yīng)用。

其中上述所有參量均采用國際單位制。

下面給一個具體實例來進一步說明本發(fā)明。

選用的材料是鋁，具體的參數(shù)是：載荷半徑R₀＝20mm，薄膜半徑R＝35mm，泊松比μ＝0.33，彈性模量E＝68.9Gpa，厚度t＝0.8mm。

此時選擇導(dǎo)桿進給長度即位移S＝0.2mm，通過相應(yīng)的公式得到F的大小是：

F＝111.7505N

ε_r＝ε_θ＝2.8767×10^-4

通過實際的計算與分析，此時應(yīng)變的數(shù)量級大小滿足需求。

接著用多個數(shù)值進行計算，此時R₀從5mm開始均勻增加1mm到20mm為止，得到圖6。

另一個理論測試條件是：R₀是20mm，薄膜半徑R＝35mm，泊松比μ＝0.33，彈性模量E＝68.9Gpa，厚度t＝0.8mm。導(dǎo)桿行程(壓入深度、位移S或者ω₁(r)的撓度值)從0.05mm到0.3mm之間，每隔0.01mm畫圖，得到如圖7。

結(jié)果分析：半徑R₀與薄膜應(yīng)變的關(guān)系是對數(shù)函數(shù)關(guān)系，導(dǎo)桿行程(壓入深度、位移S或者ω₁(r)的撓度值)與薄膜應(yīng)變是線性關(guān)系，并且應(yīng)變的大小完全滿足要求。

最后采用3ω測量方法測量薄膜的熱導(dǎo)率，此時的通入的電流的I_ω，測試電壓U_3ω，最后得到應(yīng)變ε與熱導(dǎo)率k的函數(shù)關(guān)系f(ε,k)。

通過實施例可以看出，本發(fā)明測量薄膜應(yīng)變與熱導(dǎo)率的方法通過熱導(dǎo)率與應(yīng)變的關(guān)系，能夠確定薄膜的內(nèi)部狀態(tài)，滿足對應(yīng)變的需求；有效解決器件能不能正常工作的問題。