專利名稱：一體化雙視場實時薄膜微變形測量儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于光電無損檢測裝置范圍，特別涉及一種一體化雙視場實時薄膜微變形測量儀。
背景技術(shù)：
薄膜材料和結(jié)構(gòu)是構(gòu)成微電子器件(MEMS)和微電光器件(MEOS)的基礎(chǔ)。由于MEMS器件要求薄膜不僅有良好的電、磁、光性質(zhì)，還要求器件中的薄膜結(jié)構(gòu)能夠承受機械載荷、傳遞力和運動。顯然，作為微器件的組成部分，薄膜結(jié)構(gòu)將不可避免地參與完成微器件的傳感、處理和執(zhí)行功能。因此任何由于環(huán)境相互作用而導(dǎo)致的薄膜失效，都必將影響微器件和結(jié)構(gòu)的可靠性。研究薄膜材料和結(jié)構(gòu)的變形和斷裂機理，對于了解膜材料自身的力學(xué)性能、優(yōu)化微器件的設(shè)計、制造和材料選擇都將具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。
眾所周知，薄膜材料的力學(xué)性能與具有相同化學(xué)成分的體材料的力學(xué)性能有較大差異，因此對薄膜材料和結(jié)構(gòu)的直接檢測就顯得尤為必要。然而由于膜自身的特殊結(jié)構(gòu)(在厚度方向為低維)，因此傳統(tǒng)的力學(xué)性能測試技術(shù)與設(shè)備已經(jīng)很難直接用于微米和亞微米厚度薄膜材料和結(jié)構(gòu)的變形測試。目前薄膜材料的檢測技術(shù)主要有壓痕法、薄膜彎曲法、鼓膜法、微結(jié)構(gòu)法和單軸拉伸法等。其中單軸拉伸是測量薄膜彈性模量、泊松比、屈服強度和斷裂強度等最直接的方法。因為它的力學(xué)理論基礎(chǔ)簡單明了，沒有過多的前提假設(shè)，大大減小了理論處理誤差，而且拉伸試驗操作過程簡單，可測定的性能指標(biāo)多，測試結(jié)果通用性好。但是其相應(yīng)的試驗儀器還存在夾持與粘接中，可靠與否不能確定、試樣在安裝中可能引起的微機械損傷在檢測中無法知道、試樣軸線與拉伸軸線校準(zhǔn)與否無法確定、由于試樣長度通常很短，其在拉伸時的有效伸長難以直接測量等。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的是提供一個集薄膜單軸變形與軸向拉伸微力測量于一體的一體化雙視場實時薄膜微變形測量儀。其特征在于它的外置激光器1，光分束器2(2a、2b、2c、2d、2e)，擴束鏡3(3a、3b、3c、3d)，成像透鏡4(4a、4b)和固體攝像器件5(5a、5b)依光路進(jìn)行連接，計算機及圖像處理單元6接至固體攝像器件5的信號輸出口，全反鏡8將外置激光器1發(fā)射的光束反射到MFU單軸拉伸與彎曲微力加載單元9(圖中虛線框中部分)中被測薄膜試件7上，被測薄膜試件7連接到測力彈性梁10上，在單向拉伸時使測力彈性梁10彎曲變形。
所述MFU單軸拉伸與彎曲微力加載單元的具體結(jié)構(gòu)是在基底11上水平安裝精密移動旋柄12、配合塊13和滑動塊14；螺旋測微絲桿15垂直固定在滑動塊14和薄膜固定端夾持臺16上，被測薄膜試件7夾持在可動塊17和薄膜固定端夾持臺16之間，測力彈性梁10支撐在微力加載彈性梁夾具18、磁鐵19和薄膜移動端夾持臺22及壓塊23上，并可在橫向軌道20內(nèi)和精密移動平臺21上移動。
本實用新型的有益效果是可以直接對薄膜的拉伸、彎曲變形場及微小拉伸力進(jìn)行定量、實時、全場檢測，適應(yīng)數(shù)十微米到亞微米厚度薄膜的變形檢測與其力學(xué)性能分析；能實時顯示薄膜的拉伸、夾持、狀態(tài)，使其符合單軸拉伸并具有理想的夾持與約束(通過實時相關(guān)條紋的變化即可確定)。檢測位移靈敏度在光束入射角為θ＝30°時，可達(dá)二分之一波長(0.3164微米)；微力范圍從15牛頓到88微牛頓，具有較寬的施力范圍。


圖1為檢測儀的結(jié)構(gòu)原理示意圖。
圖2是單軸拉伸與彎曲微力加載單元MFU的結(jié)構(gòu)示意圖，(a)側(cè)視圖，(b)俯視圖。
具體實施方式
本實用新型是一個集薄膜單軸變形與軸向拉伸微力測量于一體的一體化雙視場實時薄膜微變形測量儀。圖1、圖2(a)(b)所示為檢測儀的結(jié)構(gòu)原理示意圖，它的外置激光器1，光分束器2(2a、2b、2c、2d、2e)，擴束鏡3(3a、3b、3c、3d)，成像透鏡4(4a、4b)和固體攝像器件5(5a、5b)依光路進(jìn)行連接，計算機及圖像處理單元6接至固體攝像器件5的信號輸出口，全反鏡8將外置激光器1發(fā)射的光束反射到MFU單軸拉伸與彎曲微力加載單元9(圖中虛線框中部分)中被測薄膜試件7上，被測薄膜試件7連接到測力彈性梁10上，并在單向拉伸時使測力彈性梁10彎曲變形。該MFU單軸拉伸與彎曲微力加載單元的具體結(jié)構(gòu)是在基底11上水平安裝精密移動旋柄12、配合塊13和滑動塊14；螺旋測微絲桿15垂直固定在滑動塊14和薄膜固定端夾持臺16上，被測薄膜試件7夾持在可動塊17和薄膜固定端夾持臺16之間，測力彈性梁10支撐在微力加載彈性梁夾具18、磁鐵19和薄膜移動端夾持臺22及壓塊23上，并可在橫向軌道20內(nèi)和精密移動平臺21上移動。
圖1、圖2(a)(b)所示的檢測儀的工作方式為當(dāng)工作在薄膜單軸拉伸變形檢測時，首先將單軸拉伸與MFU彎曲微力加載單元9固定在光學(xué)檢測臺基底11上，然后將標(biāo)定過的測力彈性梁10夾持在MFU的精密移動平臺21上，最后將被測自持薄膜7一端夾持在MFU的薄膜固定端夾持臺16上，另一端夾持在薄膜移動端夾持臺22上，薄膜移動端夾持臺22與測力彈性梁10的中央部位線連接。雙視場電子散斑干涉(ESPI)由離面ESPI和面內(nèi)ESPI兩部分組成，分別完成薄膜變形檢測中微力和薄膜拉伸變形檢測。其中測量微力的離面ESPI由物光系統(tǒng)OI(經(jīng)由光分束器2b、2c，2e，擴束鏡3b)，參考光系統(tǒng)R(經(jīng)由光分束器2a、2d，擴束鏡3a)，場鏡4a，固體攝像器件5a和圖像處理單元6等組成。離面ESPI完成測力彈性梁10的離面位移測量(撓度測量)，并通過已標(biāo)定的力-撓度數(shù)據(jù)，獲得薄膜拉伸力。而測量薄膜拉伸變形的面內(nèi)ESPI由物光系統(tǒng)O2(經(jīng)由光分束器2b、2c，擴束鏡3c)、物光系統(tǒng)O3(經(jīng)由光分束器2b，全反鏡8，擴束鏡3d)、場鏡4b、固體攝像器件5b和圖像處理單元6等組成。上述裝置可以應(yīng)用于宏觀薄膜試件，也可以應(yīng)用于微小尺度薄膜試件。
權(quán)利要求1.一種一體化雙視場實時薄膜微變形測量儀，其特征在于它的外置激光器(1)，光分束器(2)，擴束鏡(3)，成像透鏡(4)和固體攝像器件(5)依光路進(jìn)行連接，計算機及圖像處理單元(6)接至固體攝像器件(5)的信號輸出口，全反鏡(8)將外置激光器(1)發(fā)射的光束反射到MFU單軸拉伸與彎曲微力加載單元(9)中被測薄膜試件(7)上，被測薄膜試件(7)連接到測力彈性梁(10)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一體化雙視場實時薄膜微變形測量儀，其特征在于所述MFU單軸拉伸與彎曲微力加載單元的具體結(jié)構(gòu)是在基底(11)上水平安裝精密移動旋柄(12)、配合塊(13)和滑動塊(14)；螺旋測微絲桿(15)垂直固定在滑動塊(14)和薄膜固定端夾持臺(16)上，被測薄膜試件(7)夾持在可動塊(17)和薄膜固定端夾持臺(16)之間，測力彈性梁(10)支撐在微力加載彈性梁夾具(18)、磁鐵(19)和薄膜移動端夾持臺(22)及壓塊(23)上，并可在橫向軌道(20)內(nèi)和精密移動平臺(21)上移動。
專利摘要本實用新型公開了屬于光電無損檢測和精密機械領(lǐng)域的一體化雙視場實時薄膜微變形測量裝置及方法。檢測裝置的激光器、光分束器、擴束鏡、成像透鏡、固體攝像機及全反鏡等組成面內(nèi)、離面ESPI檢測單元按光路連接分別安置在一光學(xué)隔振平臺上；單軸拉伸與彎曲微力加載單元MFU置于雙視場光路中。本方法是按薄膜單軸變形與軸向拉伸微力測量同時進(jìn)行，利用面內(nèi)ESPI干涉單元和離面ESPI干涉單元分別對被測膜表面和測力彈性梁彎曲面的散斑圖進(jìn)行記錄和處理，按通用計算方法計算出被測膜的各種力學(xué)參數(shù)。適用微米到亞微米厚度薄膜力學(xué)性能檢測與分析。
文檔編號G01N21/41GK2695959SQ20042004828
公開日2005年4月27日 申請日期2004年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月14日
發(fā)明者李喜德, 楊燕 申請人:清華大學(xué)