專(zhuān)利名稱(chēng):掃描顯微環(huán)境下薄膜拉伸加載裝置及薄膜變形測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于掃描顯微無(wú)損檢測(cè)和精密機(jī)械領(lǐng)域，特別涉及掃描顯微環(huán)境下薄膜加載裝置及其微區(qū)域變形檢測(cè)方法。
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(jī)械載荷、傳遞力和運(yùn)動(dòng)。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(jī)理，對(duì)于了解膜材料自身的力學(xué)性能、優(yōu)化微器件的設(shè)計(jì)、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(jià)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(由于薄膜的尺度、膜的結(jié)構(gòu)、膜中的殘余應(yīng)力等)，因此對(duì)薄膜材料和結(jié)構(gòu)的直接檢測(cè)就顯得尤為必要。然而由于膜自身的特殊結(jié)構(gòu)(在厚度方向和面內(nèi)尺度也越來(lái)越微尺度化)，因此傳統(tǒng)的力學(xué)性能測(cè)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(cè)試。目前薄膜材料的檢測(cè)技術(shù)主要有壓痕法(indentation)、薄膜彎曲法(film curving or film bending)、鼓膜法(bulge test)、微結(jié)構(gòu)法(microstructure testing)、單軸拉伸法(uniaxial tensile testing)等。其中單軸拉伸是測(cè)量薄膜彈性模量、泊松比、屈服強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度等最直接的方法。因?yàn)樗牧W(xué)理論基礎(chǔ)簡(jiǎn)單明了，沒(méi)有過(guò)多的前提假設(shè)，大大減小了可能因理論處理引起的誤差，而且拉伸試驗(yàn)操作過(guò)程簡(jiǎn)單，可測(cè)定的性能指標(biāo)多，測(cè)試結(jié)果通用性好。但是試驗(yàn)中存在夾持與粘接可靠與否不確定、試樣在制備與安裝中可能引起的微機(jī)械損傷在檢測(cè)中無(wú)法知道、試樣軸線與拉伸軸線校準(zhǔn)與否無(wú)法確定、由于試樣長(zhǎng)度通常很短，其在拉伸時(shí)的有效伸長(zhǎng)難以直接測(cè)量等。另外，上述測(cè)量大都為宏觀測(cè)量或在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行，這顯然已不能滿(mǎn)足目前微尺度領(lǐng)域?qū)Ρ∧ちW(xué)性能檢測(cè)的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是基于目前已廣泛應(yīng)用的高空間分辨掃描顯微平臺(tái)即原子力掃描顯微鏡(AFM)和電子束掃描顯微鏡(SEM)，提供兩套分別適用于AFM和SEM高空間分辨掃描環(huán)境的微尺度微區(qū)域薄膜單軸拉伸加載裝置及其微區(qū)域微變形測(cè)量方法，并用于微米到亞微米厚度薄膜的變形檢測(cè)與力學(xué)性能分析。
本發(fā)明的目的是通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種基于原子力掃描顯微鏡環(huán)境下的薄膜拉伸加載裝置，其特征在于該裝置包括支撐和夾持部分、位置和角度調(diào)整機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及拉伸載荷檢測(cè)部分，所述的支撐和夾持部分包括基底，設(shè)置在基底上進(jìn)行y向位置調(diào)整的燕尾滑動(dòng)軸，薄膜連接板，薄膜連接拉伸臺(tái)，所述的薄膜連接板在燕尾滑動(dòng)軸上沿y軸移動(dòng)，被測(cè)薄膜的一端與該連接板相連接，其另一端連接在拉伸臺(tái)上；所述位置和角度調(diào)整部分包括設(shè)置在基底上的位置和角度調(diào)整架，設(shè)置在基底上的x方向燕尾滑動(dòng)軸；所述的驅(qū)動(dòng)部分含有直流可編程電源，由該電源所驅(qū)動(dòng)的壓電陶瓷微位移器以及位于壓電陶瓷微位移器兩邊的拉緊彈簧，其中壓電陶瓷微位移器和拉緊彈簧的一端與設(shè)置在基底上的夾板連接，另一端與滑板連接，該滑板通過(guò)螺桿與x向燕尾滑動(dòng)軸連接，通過(guò)壓電陶瓷微位移器推動(dòng)滑板，并帶動(dòng)螺桿和x向燕尾滑動(dòng)軸實(shí)現(xiàn)薄膜單向拉伸，拉伸彈簧使滑板在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中平穩(wěn)并在卸載時(shí)歸位；所述的拉伸載荷檢測(cè)部分含有鈹青銅測(cè)力彈性梁，鈹青銅測(cè)力彈性梁兩端固定在所述的位置和角度調(diào)整架上。
本發(fā)明中所述的位置和角度調(diào)整架包括通由拉緊彈簧相連接的前后兩個(gè)鋁合金平板，z向滑動(dòng)軸，z向微調(diào)螺絲和設(shè)置在前平板上的連接橫桿，在所述的兩平板間的一角處用鋼珠支撐，另一對(duì)角位置用微調(diào)螺絲穿透后平板頂在前平板上；后平板固定或沿z向滑動(dòng)軸移動(dòng)，該z向滑動(dòng)軸與x向燕尾滑動(dòng)軸連接在一起，z向微調(diào)螺絲穿透后平板頂在連接橫桿上；前平板和后平板由加緊板和鎖定螺絲鎖定。
本發(fā)明提供了一種利用所述基于原子力掃描顯微鏡環(huán)境下的薄膜拉伸加載裝置進(jìn)行薄膜變形測(cè)量的方法，其特征在于該方法按如下步驟進(jìn)行1)將被測(cè)薄膜先在光學(xué)顯微鏡下沿拉伸軸線分別夾持在連接板與拉伸臺(tái)上，并通過(guò)位置和角度調(diào)整架獲得平直的薄膜夾持，然后將裝載好薄膜的原子力掃描顯微鏡環(huán)境下的薄膜拉伸加載裝置放入原子力掃描顯微鏡檢測(cè)平臺(tái)；2)調(diào)整原子力掃描顯微鏡系統(tǒng)的檢測(cè)平臺(tái)位置、成像、掃描參數(shù)并使其處在檢測(cè)狀態(tài)，然后利用原子力掃描顯微鏡環(huán)境下的薄膜拉伸加載裝置的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)薄膜試件拉伸加載，并同時(shí)通過(guò)原子力掃描顯微鏡掃描成像，并記錄薄膜檢測(cè)區(qū)域的序列變形圖像；3)對(duì)所得的序列變形圖像分別進(jìn)行數(shù)字圖像相關(guān)分析、雙曝光數(shù)字散斑分析或微標(biāo)記法分析，獲得薄膜拉伸時(shí)檢測(cè)區(qū)域的變形值；與此同時(shí)通過(guò)檢測(cè)測(cè)力彈性梁的撓度值并乘上預(yù)先標(biāo)定的彈性常數(shù)，即獲得薄膜的微拉伸載荷；4)利用獲得的拉伸載荷和薄膜的變形值，得到力-位移曲線、應(yīng)力-應(yīng)變曲線和楊氏模量的計(jì)算。
本發(fā)明還提供了一種基于電子束掃描顯微鏡環(huán)境下的薄膜拉伸加載裝置，其特征在于該裝置包括支撐和夾持部分、位置和角度調(diào)整機(jī)構(gòu)以及拉伸載荷檢測(cè)部分，所述的支撐和夾持部分包括力緩沖基底，用于y向調(diào)整的兩個(gè)豎向簧片，微位移調(diào)整架，與被測(cè)薄膜固定端相連接的連接板以及與被測(cè)薄膜自由端連接的拉伸臺(tái)，通過(guò)設(shè)置在力緩沖基底上的壓板所述的兩個(gè)豎向簧片與緩沖基底連成一體；所述微位移調(diào)整架連接在豎向簧片的上部，該微位移調(diào)整架與連接板相連接；所述位置和角度調(diào)整機(jī)構(gòu)包括設(shè)置在力緩沖基底上的位置和角度調(diào)整架，設(shè)置在力緩沖基底上的x方向燕尾滑動(dòng)軸；所述的拉伸載荷檢測(cè)部分含有鈦合金測(cè)力彈性梁，該鈦合金測(cè)力彈性梁兩端固定在所述的位置和角度調(diào)整架上。
本發(fā)明提供了一種利用所述基于電子束掃描顯微鏡環(huán)境下的薄膜拉伸加載裝置進(jìn)行薄膜變形測(cè)量的方法，其特征在于該方法按如下步驟進(jìn)行1)將被測(cè)薄膜先在光學(xué)顯微鏡下沿拉伸軸線分別夾持在連接板與拉伸臺(tái)上，并通過(guò)位置和角度調(diào)整架獲得平直的薄膜夾持，然后將裝載好薄膜的電子束掃描顯微鏡環(huán)境下的薄膜拉伸加載裝置放入電子束掃描顯微鏡的真空檢測(cè)室內(nèi)；2)調(diào)整電子束掃描顯微鏡系統(tǒng)的檢測(cè)平臺(tái)位置、成像、掃描參數(shù)并使其處在檢測(cè)狀態(tài)下，然后利用電子束掃描顯微鏡的自動(dòng)加載系統(tǒng)拉伸電子束掃描顯微鏡環(huán)境下的薄膜拉伸加載裝置上的力緩沖基底對(duì)被測(cè)薄膜單軸拉伸，并通過(guò)電子束掃描顯微鏡的聚焦電子束對(duì)薄膜進(jìn)行二維掃描成像獲得薄膜檢測(cè)區(qū)域的序列變形圖像；3)對(duì)所得的序列變形圖像進(jìn)行數(shù)字圖像相關(guān)分析、雙曝光數(shù)字散斑分析或微標(biāo)記法分析，獲得薄膜拉伸時(shí)檢測(cè)區(qū)域的變形值；與此同時(shí)通過(guò)檢測(cè)鈦合金測(cè)力彈性梁的撓度值并乘上預(yù)先標(biāo)定的彈性常數(shù)，即獲得薄膜的微拉伸載荷；4)利用獲得的拉伸載荷和薄膜的變形值，即得到力-位移曲線、應(yīng)力-應(yīng)變曲線和楊氏模量值的計(jì)算。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出性效果該發(fā)明的技術(shù)方案是通過(guò)設(shè)計(jì)能進(jìn)行三維位置和角度調(diào)整的機(jī)械結(jié)構(gòu)、壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、力緩沖系統(tǒng)等在原子力掃描顯微鏡和電子束掃描顯微鏡檢測(cè)平臺(tái)上完成薄膜變形測(cè)量。與現(xiàn)有的光學(xué)顯微鏡下的拉伸加載裝置相比，本發(fā)明所研制的基于原子力掃描顯微鏡環(huán)境下的薄膜拉伸加載裝置和測(cè)量方法以及基于電子束掃描顯微鏡環(huán)境下的薄膜拉伸加載裝置和測(cè)量方法，可對(duì)微尺度薄膜的全域或局部區(qū)域的變形場(chǎng)進(jìn)行定量檢測(cè)，被檢測(cè)的薄膜厚度從數(shù)微米到亞微米厚度；和現(xiàn)有的基于芯片式的一次性原子力掃描顯微鏡、電子束掃描顯微鏡環(huán)境檢測(cè)的微加載裝置相比，所發(fā)明的兩種檢測(cè)裝置可以多次使用，適合不同厚度和尺度的薄膜材料和結(jié)構(gòu)的變形檢測(cè)。檢測(cè)中應(yīng)用所研制的拉伸裝置，并結(jié)合雙曝光數(shù)字散斑技術(shù)、圖像相關(guān)技術(shù)、或微標(biāo)記技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高空間分辨鏡原子力掃描顯微鏡或電子束掃描顯微鏡環(huán)境下的薄膜原位、在線檢測(cè)。



圖1基于原子力掃描顯微鏡檢測(cè)環(huán)境下的拉伸加載裝置的主視圖。
圖2基于原子力掃描顯微鏡檢測(cè)環(huán)境下的拉伸加載裝置的俯視圖。
圖3位置和角度調(diào)整機(jī)構(gòu)的主視圖。
圖4位置和角度調(diào)整機(jī)構(gòu)的俯視圖。
圖5基于電子束掃描顯微鏡檢測(cè)環(huán)境下的拉伸加載裝置的主視圖。
圖6基于電子束掃描顯微鏡檢測(cè)環(huán)境下的拉伸加載裝置的俯視圖。
圖7鐵鎳薄膜表面的原子力掃描顯微鏡掃描強(qiáng)度圖(圖中坐標(biāo)單位為微米)。
圖8金膜表面的SEM掃描強(qiáng)度圖。
圖9原子力掃描顯微鏡拉伸加載裝置拉伸鐵鎳膜時(shí)在拉伸方向的位移場(chǎng)(圖中所有數(shù)據(jù)單位為微米)，對(duì)應(yīng)電壓0V～8V。
圖10原子力掃描顯微鏡拉伸加載裝置拉伸鐵鎳膜時(shí)與拉伸方向垂直的位移場(chǎng)(圖中所有數(shù)據(jù)單位為微米)，對(duì)應(yīng)電壓0-8V。
圖11原子力掃描顯微鏡拉伸加載裝置拉伸鐵鎳膜時(shí)在拉伸方向的位移場(chǎng)(圖中所有數(shù)據(jù)單位為微米)，對(duì)應(yīng)電壓72V～82V。
圖12原子力掃描顯微鏡拉伸加載裝置拉伸鐵鎳膜時(shí)與拉伸方向垂直的位移場(chǎng)(圖中所有數(shù)據(jù)單位為微米)，對(duì)應(yīng)電壓72V～82V。
圖13電子束掃描顯微鏡拉伸加載裝置拉伸金膜時(shí)在拉伸方向的位移場(chǎng)(圖中所有數(shù)字單位均為微米，對(duì)應(yīng)SEM載荷為735N)。
圖14電子束掃描顯微鏡拉伸加載裝置拉伸金膜時(shí)與拉伸方向垂直的位移場(chǎng)(圖中所有數(shù)字單位均為微米，對(duì)應(yīng)SEM載荷為735N)。
圖15雙曝光數(shù)字散斑場(chǎng)。
圖16經(jīng)雙曝光數(shù)字散斑場(chǎng)計(jì)算獲得的楊氏條紋圖，所對(duì)應(yīng)的微區(qū)域位移為0.5微米。
圖17楊氏條紋圖的修正譜圖。
圖18為用原子力掃描顯微鏡環(huán)境下的薄膜拉伸加載裝置以及標(biāo)記點(diǎn)方法獲得的薄膜表面沿拉伸方向位移和驅(qū)動(dòng)電壓的關(guān)系曲線。
圖19為用電子束掃描顯微鏡環(huán)境下的薄膜拉伸加載裝置以及標(biāo)記點(diǎn)方法獲得的薄膜表面沿拉伸方向位移和電子束掃描顯微鏡拉伸載荷的關(guān)系曲線。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明提供的掃描顯微環(huán)境下薄膜拉伸加載裝置的原理、具體結(jié)構(gòu)及薄膜變形測(cè)量方法作詳細(xì)的說(shuō)明。
薄膜拉伸加載裝置為了分別適應(yīng)原子力掃描顯微鏡(AFM)和電子束掃描顯微鏡(SEM)檢測(cè)環(huán)境，拉伸加載裝置為兩套獨(dú)立的系統(tǒng)，現(xiàn)分別給予介紹(I).原子力掃描顯微鏡環(huán)境下的薄膜拉伸加載裝置原子力掃描顯微鏡環(huán)境下的薄膜拉伸加載裝置是根據(jù)Dimension 3100原子力掃描顯微鏡測(cè)試環(huán)境而設(shè)計(jì)的，該裝置包括支撐和夾持部分、位置和角度調(diào)整機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及拉伸載荷檢測(cè)部分，所述的支撐和夾持部分包括基底1，設(shè)置在基底上進(jìn)行y向位置調(diào)整的燕尾滑動(dòng)軸2，薄膜連接板3，薄膜連接拉伸臺(tái)5，所述的薄膜連接板3在燕尾滑動(dòng)軸上沿y軸移動(dòng)，被測(cè)薄膜的一端與該連接板相連接，其另一端連接在拉伸臺(tái)5上；所述位置和角度調(diào)整部分包括設(shè)置在基底上的位置和角度調(diào)整架7，設(shè)置在基底上的x方向燕尾滑動(dòng)軸8；所述的驅(qū)動(dòng)部分含有直流可編程電源，由該電源所驅(qū)動(dòng)的壓電陶瓷微位移器10以及位于壓電陶瓷微位移器兩邊的拉緊彈簧14，其中壓電陶瓷微位移器和拉緊彈簧的一端與設(shè)置在基底上的夾板9連接，另一端與滑板12連接，該滑板通過(guò)螺桿11與x向燕尾滑動(dòng)軸連接，通過(guò)壓電陶瓷微位移器推動(dòng)滑板，并帶動(dòng)螺桿和x向燕尾滑動(dòng)軸實(shí)現(xiàn)薄膜單向拉伸，拉伸彈簧使滑板在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中平穩(wěn)并在卸載時(shí)歸位；所述的拉伸載荷檢測(cè)部分含有鈹青銅測(cè)力彈性梁6，鈹青銅測(cè)力彈性梁兩端固定在所述的位置和角度調(diào)整架7上。
本發(fā)明中所述的位置和角度調(diào)整架7包括通由拉緊彈簧相連接的前后兩個(gè)鋁合金平板7a、7e，z向滑動(dòng)軸7g，z向微調(diào)螺絲7d和設(shè)置在前平板上的連接橫桿7h，在所述的兩平板間的一角處用鋼珠7c支撐，另一對(duì)角位置用微調(diào)螺絲7j穿透后平板7e頂在前平板7a上，這樣通過(guò)調(diào)整微調(diào)螺絲即可對(duì)前7a平板進(jìn)行俯仰等角度調(diào)整。后平板7e固定或沿z向滑動(dòng)軸7g移動(dòng)，該z向滑動(dòng)軸與x向燕尾滑動(dòng)軸8連接在一起，因此前平板7a和后平板7e可以在x和z方向進(jìn)行位置調(diào)整。z向微調(diào)螺絲7d穿透后平板頂在連接橫桿7h上，這樣z向微調(diào)螺絲7d和連接橫桿7h的組合調(diào)整，可是平板7a沿拉伸軸(x方向)旋轉(zhuǎn)?？梢?jiàn)，通過(guò)上述機(jī)構(gòu)可以使前平板7a沿x向和z向進(jìn)行位置調(diào)整，沿x軸、y軸和z軸旋轉(zhuǎn)。最后調(diào)整好的前平板7a和后平板7e可由加緊板7b和鎖定螺絲7f鎖定。由于鈹青銅測(cè)力彈性梁6與前平板7a連接，自然鈹青銅測(cè)力彈性梁也可以進(jìn)行相同的位置和角度旋轉(zhuǎn)。這樣與鈹青銅測(cè)力彈性梁中部連接的被測(cè)薄膜的位置和角度也就可以自由調(diào)整了。
在上述裝置中，被測(cè)薄膜4一端應(yīng)用薄膜連接板3與可進(jìn)行y向位置調(diào)整的燕尾滑動(dòng)軸2連接，另一端與鈹青銅測(cè)力彈性梁6中部的薄膜連接平臺(tái)5連接；鈹青銅測(cè)力彈性梁6兩端固定在位置和角度調(diào)整架7上。由于位置和角度調(diào)整架可進(jìn)行x方向和z向位置調(diào)整和沿三個(gè)坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)角度調(diào)整，因此可以方便地對(duì)在夾持中的薄膜進(jìn)行調(diào)整；位置和角度調(diào)整架通過(guò)z向滑動(dòng)軸7g與x向燕尾滑動(dòng)軸8連接；壓電陶瓷微位移器10一端固定在與基底1連接的夾板9上，其另一端通過(guò)滑板12和螺桿11與x向燕尾滑動(dòng)軸8連接，位于壓電陶瓷微位移器兩邊的拉緊彈簧14一端與固定于基底上的夾板9連接，另一端與滑板12連接，使滑板在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中平穩(wěn)并在卸載時(shí)歸位。檢測(cè)時(shí)拉伸力由壓電陶瓷微位移器10提供，薄膜檢測(cè)區(qū)域的變形圖像由原子力掃描顯微鏡成像。由于采用壓電陶瓷微位移器提供微力驅(qū)動(dòng)，因此加載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、有較好的線性性和較高的位移加載精度。應(yīng)用位置和角度調(diào)整架以及位于基底前端的y向位置調(diào)整的燕尾滑動(dòng)軸，拉伸加載系統(tǒng)可以允許薄膜在加持時(shí)在三個(gè)坐標(biāo)方向進(jìn)行位置和角度調(diào)整，這為實(shí)現(xiàn)真正的薄膜單向拉伸奠定了基礎(chǔ)。在加載中，應(yīng)用直流可編程電源對(duì)壓電陶瓷微位移器10施加分步或連續(xù)模式的電壓，使它沿x向推動(dòng)滑板12，而滑板又拖動(dòng)螺桿11使x向燕尾滑動(dòng)軸8發(fā)生x向位移，并同時(shí)帶動(dòng)位置和角度調(diào)整架移動(dòng)而使鈹青銅測(cè)力彈性梁發(fā)生三點(diǎn)彎曲變形。這一設(shè)計(jì)一方面為被測(cè)薄膜提供軸向拉伸載荷，另一方面巧妙地給出了微拉伸力值。
原子力掃描顯微鏡環(huán)境下的薄膜拉伸加載裝置工作時(shí)，將其放置在原子力掃描顯微鏡的掃描平臺(tái)上，利用原子力掃描顯微鏡對(duì)薄膜的表面結(jié)構(gòu)和變形進(jìn)行高精度掃描記錄。其具體測(cè)量方法按如下步驟進(jìn)行1)將被測(cè)薄膜先在光學(xué)顯微鏡下沿拉伸軸線分別夾持在連接板與拉伸臺(tái)上，并通過(guò)位置和角度調(diào)整架獲得平直的薄膜夾持，然后將裝載好薄膜的原子力掃描顯微鏡環(huán)境下的薄膜拉伸加載裝置放入原子力掃描顯微鏡檢測(cè)平臺(tái)；2)調(diào)整原子力掃描顯微鏡系統(tǒng)的檢測(cè)平臺(tái)位置、成像、掃描參數(shù)并使其處在檢測(cè)狀態(tài)，然后利用原子力掃描顯微鏡環(huán)境下的薄膜拉伸加載裝置的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)薄膜試件拉伸加載，并同時(shí)通過(guò)原子力掃描顯微鏡掃描成像，并記錄薄膜檢測(cè)區(qū)域的序列變形圖像；3)對(duì)所得的序列變形圖像分別進(jìn)行數(shù)字圖像相關(guān)分析、雙曝光數(shù)字散斑分析或微標(biāo)記法分析，獲得薄膜拉伸時(shí)檢測(cè)區(qū)域的變形值；與此同時(shí)通過(guò)檢測(cè)測(cè)力彈性梁的撓度值并乘上預(yù)先標(biāo)定的彈性常數(shù)，即獲得薄膜的微拉伸載荷；4)利用獲得的拉伸載荷和薄膜的變形值，得到力-位移曲線、應(yīng)力-應(yīng)變曲線和楊氏模量的計(jì)算(II)電子束掃描顯微鏡環(huán)境下的薄膜拉伸加載裝置電子束掃描顯微鏡環(huán)境下的薄膜拉伸加載裝置是配合日本島津公司的superscanss-50電子束掃描顯微鏡研制的薄膜單軸加載與微區(qū)域變形檢測(cè)裝置(如圖5、圖6)。該裝置包括支撐和夾持部分、位置和角度調(diào)整機(jī)構(gòu)以及拉伸載荷檢測(cè)部分，所述的支撐和夾持部分包括力緩沖基底15，用于y向調(diào)整的兩個(gè)豎向簧片17，微位移調(diào)整架18，與被測(cè)薄膜固定端相連接的連接板53以及與被測(cè)薄膜自由端連接的拉伸臺(tái)55，通過(guò)設(shè)置在力緩沖基底上的壓板16所述的兩個(gè)豎向簧片與緩沖基底連成一體；所述微位移調(diào)整架連接在豎向簧片的上部，該微位移調(diào)整架與連接板相連接；所述位置和角度調(diào)整機(jī)構(gòu)包括設(shè)置在力緩沖基底上的位置和角度調(diào)整架57，設(shè)置在力緩沖基底上的x方向燕尾滑動(dòng)軸58；所述的拉伸載荷檢測(cè)部分含有鈦合金測(cè)力彈性梁56，該鈦合金測(cè)力彈性梁兩端固定在所述的位置和角度調(diào)整架57上。
由于所用的superscan ss-50電子束掃描顯微鏡自帶加載定位系統(tǒng)，載荷量程為1kN，所以設(shè)計(jì)的電子束掃描顯微鏡拉伸加載裝置沒(méi)有驅(qū)動(dòng)部分。但是由于電子束掃描顯微鏡提供的載荷太大，分辨率低，不能直接用于低維薄膜的檢測(cè)，因此該裝置設(shè)計(jì)了力緩沖基底15作為力緩沖部分，承受電子束掃描顯微鏡加載系統(tǒng)提供的載荷，它的外形尺寸符合電子束掃描顯微鏡加載系統(tǒng)夾具要求。與原子力掃描電鏡拉伸裝置相似，在力緩沖基底15的兩端分別設(shè)計(jì)了用于y向位置調(diào)整的豎向簧片17和位置與角度調(diào)整架57。被測(cè)薄膜4的固定端應(yīng)用連接板53與可進(jìn)行y向位置調(diào)整的豎向簧片式微位移調(diào)整架18連接，自由端與兩端固支在位置和角度調(diào)整架57的鈦合金測(cè)力彈性梁56中部的拉伸臺(tái)55連接；位置和角度調(diào)整架通過(guò)它的z向調(diào)整滑動(dòng)軸與x向位置調(diào)整的燕尾滑動(dòng)軸58連接。電子束掃描顯微鏡掃描系統(tǒng)自身可以實(shí)現(xiàn)位移和載荷控制的加載過(guò)程。通過(guò)力緩沖基底15這一結(jié)構(gòu)將力傳遞給檢測(cè)薄膜。為了防止承力緩沖基底變形超過(guò)其彈性范圍而破壞，在力緩沖基底上表面沿軸向貼有應(yīng)變傳感器可實(shí)時(shí)監(jiān)視其變形范圍。
電子束掃描顯微鏡環(huán)境下的薄膜拉伸加載裝置工作時(shí)，其測(cè)量方法按如下步驟進(jìn)行1)將被測(cè)薄膜先在光學(xué)顯微鏡下沿拉伸軸線分別夾持在連接板53與拉伸臺(tái)55上，并通過(guò)位置和角度調(diào)整架獲得平直的薄膜夾持，然后將裝載好薄膜的電子束掃描顯微鏡環(huán)境下的薄膜拉伸加載裝置放入電子束掃描顯微鏡的真空檢測(cè)室內(nèi)；2)調(diào)整電子束掃描顯微鏡系統(tǒng)的檢測(cè)平臺(tái)位置、成像、掃描參數(shù)并使其處在檢測(cè)狀態(tài)下，然后利用電子束掃描顯微鏡的自動(dòng)加載系統(tǒng)拉伸電子束掃描顯微鏡環(huán)境下的薄膜拉伸加載裝置上的力緩沖基底對(duì)被測(cè)薄膜單軸拉伸，并通過(guò)電子束掃描顯微鏡的聚焦電子束對(duì)薄膜進(jìn)行二維掃描成像獲得薄膜檢測(cè)區(qū)域的序列變形圖像；3)對(duì)所得的序列變形圖像進(jìn)行數(shù)字圖像相關(guān)分析、雙曝光數(shù)字散斑分析或微標(biāo)記法分析，獲得薄膜拉伸時(shí)檢測(cè)區(qū)域的變形值；與此同時(shí)通過(guò)檢測(cè)鈦合金測(cè)力彈性梁的撓度值并乘上預(yù)先標(biāo)定的彈性常數(shù)，即獲得薄膜的微拉伸載荷；4)利用獲得的拉伸載荷和薄膜的變形值，即得到力-位移曲線、應(yīng)力-應(yīng)變曲線和楊氏模量值的計(jì)算。
無(wú)論是應(yīng)用原子力掃描顯微鏡環(huán)境下的薄膜拉伸加載裝置還是電子束掃描顯微鏡環(huán)境下的薄膜拉伸加載裝置進(jìn)行薄膜力學(xué)性能檢測(cè)，所獲得的均為基于表面輪廓或電子束反射形成的灰度編碼圖像，具體講，對(duì)于原子力掃描顯微鏡環(huán)境下的薄膜拉伸加載裝置我們獲得的是由微探針掃描變形前后薄膜微區(qū)域的微形貌圖或稱(chēng)高度圖，見(jiàn)圖7，并以類(lèi)似于強(qiáng)度灰度的圖像方式顯示出來(lái)；而對(duì)電子束掃描顯微鏡環(huán)境下的薄膜拉伸加載裝置則主要是由電子束掃描薄膜表面，接收二次電子或背射電子圖像而獲得薄膜圖像，并以灰度強(qiáng)度圖像的方式顯示出來(lái)，見(jiàn)圖8。對(duì)于薄膜變形來(lái)講，無(wú)論是原子力掃描顯微鏡圖像還是電子束掃描顯微鏡圖像，當(dāng)薄膜表面變形或運(yùn)動(dòng)較小時(shí)，這些以灰度表示的圖像可以完全表征成像微區(qū)域薄膜材料的運(yùn)動(dòng)和變形。于是求薄膜運(yùn)動(dòng)、變形的問(wèn)題就轉(zhuǎn)換成對(duì)獲得的灰度圖像進(jìn)行圖像處理，從而檢測(cè)該圖像的運(yùn)動(dòng)和變形。
通常對(duì)于強(qiáng)度圖像的運(yùn)動(dòng)和變形識(shí)別與計(jì)算有多種方式，在本發(fā)明所設(shè)計(jì)的兩套裝置中，薄膜微區(qū)域運(yùn)動(dòng)和變形的檢測(cè)可分別應(yīng)用數(shù)字圖像相關(guān)、雙曝光數(shù)字散斑和微標(biāo)記法三種方法中的任一種方法，計(jì)算薄膜微區(qū)域的位移和變形。
數(shù)字圖像相關(guān)法數(shù)字圖像技術(shù)所處理的是變形前后兩幅強(qiáng)度圖像的相關(guān)程度，并由此判斷相關(guān)子區(qū)的移動(dòng)位置，主要的數(shù)學(xué)關(guān)系為設(shè)變形前后兩幅圖像分別為f(x，y)和個(gè)g(x，y)，則其相關(guān)場(chǎng)C(u，v)定義為C(u,v)=∫∫Sf(x,y)g(x+u,y+v)dxdy---(1)]]>上式中u，v可表示相關(guān)空間坐標(biāo)值，S為相關(guān)運(yùn)算子區(qū)，通?？扇∽冃螀^(qū)域中具有剛體運(yùn)動(dòng)特性的二維小區(qū)域?yàn)橄嚓P(guān)子區(qū)。(1)表明當(dāng)相關(guān)取極值時(shí)所對(duì)應(yīng)的u，v值，即是子區(qū)S變形后移動(dòng)的位置坐標(biāo)。因此對(duì)于整個(gè)微區(qū)域所對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度圖像進(jìn)行上述運(yùn)算，即可求出該微區(qū)域的全場(chǎng)運(yùn)動(dòng)和變形分布。
在實(shí)際應(yīng)用中(1)式的乘積核方式通?？梢宰儞Q成其它不同的相關(guān)模式，如絕對(duì)值相減核模式、相減平方核模式等。在計(jì)算機(jī)計(jì)算時(shí)，(1)通常用其離散數(shù)字歸一化方式C(i,j)=Σ(m,n)∈S[f(m,n)g(m+i,n+j)]/Σ(m,n)∈Sf2(m,n)Σ(m,n)∈Sg2(m+i,n+j)---(2)]]>其中，m，n，i，j均為整數(shù)，且(m，n)∈S。
圖9至圖14分別為由相關(guān)方法所獲得的1.5μm厚鐵鎳膜和5μm厚純金薄膜被測(cè)微區(qū)域的變形場(chǎng)分布。
雙曝光數(shù)字散斑法雙曝光數(shù)字散斑分析方法與傳統(tǒng)的光學(xué)散斑雙曝光法基本類(lèi)似。在用數(shù)字設(shè)備代替全息干版記錄圖像的基礎(chǔ)上，用計(jì)算機(jī)或者其他數(shù)字設(shè)備代替雙曝光分析光路來(lái)計(jì)算圖像的位移。雙曝光數(shù)字散斑的具體算法如下設(shè)f(x，y)和g(x，y)為被測(cè)表面變形前后所對(duì)應(yīng)的散斑場(chǎng)面元，根據(jù)散斑相關(guān)計(jì)量中小面元假設(shè)及連續(xù)體運(yùn)動(dòng)中光學(xué)圖像的連續(xù)性，當(dāng)面元的區(qū)域面積足夠小時(shí)，小面元S近似剛體運(yùn)動(dòng)，即g(x，y)＝f(x-u，y-v) (3)將兩幅圖相加，得到(對(duì)應(yīng)圖13)I(x，y)＝f(x，y)+g(x，y)＝f(x，y)+f(x-u，y-v) (4)對(duì)相加后的結(jié)果進(jìn)行第一次二維Fourier變換H(ωx,ωy)=∫∫S[f(x,y)+f(x-u,y-v)]exp[-j2π(xωx+yωy)]dxdy---(5)]]>=F(ωx,ωy)[1+e-i(ωxu+ωyv)]]]>其譜絕對(duì)值|H(ωx,ωy)|=2|F(ωx,ωy)||cos(ωxu+ωyv)2|---(6)]]>
(6)式即等價(jià)于通常的雙曝光散斑場(chǎng)獲得的楊氏條紋場(chǎng)，見(jiàn)圖16。由該式即可確定所求區(qū)域的位移值u，v。上式也可以進(jìn)一步處理因?yàn)閨cos(ωxu+ωyv)2|≈23π{1+4cos2(ωxu+ωyv)2}=2π{1+23cos(ωxu+ωyv)}]]>于是(6)式可寫(xiě)為|H(ωx,ωy)|=4π|F(ωx,ωy)|[1+23cos(ωxu+ωyv)]---(7)]]>對(duì)(7)所表示的條紋場(chǎng)再做一次Fourier變換有G(ξ,η)=A(ξ,η)+23A(ξ-u,η-v)+23A(ξ+u,η+v)---(8)]]>其中G(ξ，η)是|H(ωx，ωy)|的Fourier變換，A(ξ，η)是
的Fourier變換。A(ξ，η)是一個(gè)位置在坐標(biāo)原的點(diǎn)尖峰函數(shù)。這樣，A(ξ，η)就有三個(gè)峰，(0，0)、(u，v)和(-u，-v)。此時(shí)由計(jì)算機(jī)可以很準(zhǔn)確的通過(guò)識(shí)別局部最大值找到尖峰，從而得到u，v，該結(jié)果見(jiàn)圖17。
微標(biāo)記法微標(biāo)記法是將試件表面自然的或人工制作的斑點(diǎn)或線作為實(shí)驗(yàn)時(shí)跟蹤觀察和記錄的標(biāo)記點(diǎn)，并以此研究試件的位移或變形情況。其中微標(biāo)記點(diǎn)可以選用單點(diǎn)也可選用陣列或隨機(jī)二維標(biāo)記點(diǎn)，單標(biāo)記點(diǎn)位移可用以代表試件的平均位移，陣列或隨機(jī)標(biāo)記點(diǎn)則可以對(duì)全場(chǎng)位移和區(qū)部位移進(jìn)行檢測(cè)。標(biāo)記點(diǎn)用于位移和變形測(cè)量的原理主要為標(biāo)記點(diǎn)位置跟蹤技術(shù)和二維全場(chǎng)數(shù)字相關(guān)技術(shù)。其中位置跟蹤技術(shù)采用圖像處理方法計(jì)算變形前后標(biāo)記點(diǎn)的位置坐標(biāo)，然后再通過(guò)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)運(yùn)算即可確定變形前后標(biāo)記點(diǎn)的位移，進(jìn)而乘以圖像放大系數(shù)即可獲得標(biāo)記點(diǎn)所在物體表面位置的位移和變形值。位置跟蹤技術(shù)主要用于單標(biāo)記點(diǎn)、有限數(shù)量標(biāo)記點(diǎn)和陣列標(biāo)記點(diǎn)。而對(duì)于二位隨機(jī)標(biāo)記點(diǎn)，則可采用上文中提到的數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)或雙曝光數(shù)字散斑技術(shù)，其相關(guān)運(yùn)算時(shí)變形前后散斑場(chǎng)在此即等價(jià)于變形前后隨機(jī)標(biāo)記場(chǎng)。關(guān)于這兩種技術(shù)的檢測(cè)原理與上文相同，在此不再贅述。圖18和圖19分別為用原子力掃描顯微鏡環(huán)境下的薄膜拉伸加載裝置和電子束掃描顯微鏡環(huán)境下的薄膜拉伸加載裝置，結(jié)合標(biāo)記點(diǎn)方法獲得的檢測(cè)薄膜表面沿拉伸方向位移和驅(qū)動(dòng)電壓、拉伸載荷的關(guān)系。
實(shí)施例原子力掃描顯微鏡環(huán)境下的薄膜拉伸加載裝置用于鐵鎳薄膜拉伸變形檢測(cè)及電子束掃描顯微鏡環(huán)境下的薄膜拉伸加載裝置用于純金薄膜進(jìn)拉伸變形檢測(cè)應(yīng)用本發(fā)明所研制的兩種薄膜檢測(cè)拉伸加載裝置，對(duì)薄膜全場(chǎng)或局部區(qū)域的變形場(chǎng)定量檢測(cè)，被檢測(cè)薄膜厚度可從數(shù)微米到亞微米厚度，可以提供的位移檢測(cè)高精度和一些參數(shù)選擇為其中對(duì)于原子力掃描顯微鏡環(huán)境下的薄膜拉伸加載裝置，系統(tǒng)采用壓電陶瓷微位移器驅(qū)動(dòng)，電壓分辨0.1V，對(duì)應(yīng)的位移精度為0.0245μm，位移量程為42.6μm，所用鈹青銅測(cè)力彈性梁的尺寸是20mm×2mm×0.09mm，相應(yīng)的彈性系數(shù)為K＝0.411mN/μm，其可提供的最大載荷為17.5mN，由光纖位移傳感器檢測(cè)其彎曲變形，可獲得10μN(yùn)的載荷精度；對(duì)于電子束掃描顯微鏡環(huán)境下拉伸加載裝置，采用了承力緩沖基底，在電子束掃描顯微鏡自帶拉伸系統(tǒng)的拉伸下最大彈性拉伸載荷為760N，對(duì)應(yīng)的位移量為18.9μm，所用的20mm×2mm×0.26mm鈦合金測(cè)力彈性梁的彈性系數(shù)為K＝3.549mN/μm，它可提供的最大載荷是67.08mN，由光纖位移傳感器檢測(cè)其彎曲變形，可獲得0.88mN的載荷計(jì)量精度。檢測(cè)中應(yīng)用雙曝光數(shù)字散斑技術(shù)，或圖像相關(guān)技術(shù)或微標(biāo)記方法，實(shí)現(xiàn)高空間分辨掃描相微鏡的原位、在線檢測(cè)。
實(shí)驗(yàn)中，運(yùn)用原子力掃描顯微鏡環(huán)境下的薄膜拉伸加載裝置對(duì)1.5μm厚鐵鎳膜進(jìn)行了單軸拉伸實(shí)驗(yàn)，圖7是鐵鎳膜的原子力掃描顯微照片，其中，薄膜試件尺寸為322μm×63μm×1.5μm。材料為通過(guò)電鍍方法形成的微米厚度薄膜。實(shí)驗(yàn)中檢測(cè)的是在單向拉伸條件下，薄膜的軸向微變形，檢測(cè)區(qū)域大小為10μm×10μm。根據(jù)上文提供的測(cè)量方法，檢測(cè)過(guò)程為1)將被測(cè)薄膜先在光學(xué)顯微鏡下沿拉伸軸線分別夾持在連接板3與拉伸臺(tái)5上，并通過(guò)位置和角度調(diào)整架獲得平直的薄膜夾持，然后將裝載好薄膜的原子力掃描顯微鏡環(huán)境下的薄膜拉伸加載裝置放入原子力掃描顯微鏡檢測(cè)平臺(tái)；2)調(diào)整原子力掃描顯微鏡系統(tǒng)的檢測(cè)平臺(tái)位置、成像、掃描頻率并使其處在檢測(cè)狀態(tài)，并使原子力掃描電鏡的探針在薄膜檢測(cè)的中心區(qū)域，接著下針，對(duì)薄膜表面嘗試掃描，掃描區(qū)域先設(shè)定為1μm×1μm，然后根據(jù)表面情況移動(dòng)原子力掃描顯微鏡檢測(cè)平臺(tái)并擴(kuò)大掃描范圍，尋找較為平整、掃描范圍可以盡量大的區(qū)域(見(jiàn)圖7)；3)設(shè)定壓電陶瓷微位移器的驅(qū)動(dòng)源驅(qū)動(dòng)步長(zhǎng)(如步長(zhǎng)2.5V)，進(jìn)行測(cè)量，即掃描一幅薄膜被測(cè)區(qū)域的原子力掃描顯微圖像并存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)內(nèi)存，然后增加驅(qū)動(dòng)電壓再掃描圖像，如此反復(fù)直到薄膜變形結(jié)束；4)對(duì)所得的序列變形圖像應(yīng)用數(shù)字圖像相關(guān)分析、雙曝光數(shù)字散斑分析或微標(biāo)記法分析，獲得薄膜拉伸時(shí)檢測(cè)區(qū)域的變形值；與此同時(shí)通過(guò)檢測(cè)測(cè)力彈性梁的撓度值并乘上預(yù)先標(biāo)定的彈性常數(shù)，即獲得薄膜的微拉伸載荷。
應(yīng)用電子束掃描顯微鏡環(huán)境下的薄膜拉伸加載裝置對(duì)5μm厚純金膜也進(jìn)行了單軸拉伸實(shí)驗(yàn)，圖8是純金膜的電子束掃描顯微鏡掃描照片，其中，薄膜試件尺寸為1.11mm×154μm×5μm。材料為通過(guò)熱沉積方法形成的微米尺度厚度薄膜。實(shí)驗(yàn)中，將力緩沖基底卡在電子束掃描顯微鏡加載系統(tǒng)夾具內(nèi)，隨著載荷的增加，力緩沖基底發(fā)生變形，使固定在它兩端的鈦合金測(cè)力彈性梁與薄膜固定端連接板距離增大，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜試件的軸向加載的目的。實(shí)驗(yàn)中的檢測(cè)區(qū)域大小為200μm×150μm。檢測(cè)過(guò)程與原子力掃描電鏡環(huán)境下的薄膜拉伸加載裝置的情形相同，只是此時(shí)在電子束掃描顯微鏡環(huán)境下的薄膜拉伸加載裝置中使用了彈性更好且不易放電的鈦合金測(cè)力彈性梁。電子束掃描顯微鏡拉伸加載裝置的載荷步長(zhǎng)設(shè)定為10N，每加載一次記錄一次圖像，直至SEM自身加載系統(tǒng)拉伸載荷至735N時(shí)停止實(shí)驗(yàn)。最后對(duì)獲得圖像用數(shù)字圖像相關(guān)、數(shù)字散斑雙曝光或微標(biāo)記法處理圖像，得到薄膜局部區(qū)域的位移場(chǎng)分布，如圖13至圖14所示。
權(quán)利要求
1.一種基于原子力掃描顯微鏡環(huán)境下的薄膜拉伸加載裝置，其特征在于該裝置包括支撐和夾持部分、位置和角度調(diào)整機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及拉伸載荷檢測(cè)部分，所述的支撐和夾持部分包括基底(1)，設(shè)置在基底上進(jìn)行y向位置調(diào)整的燕尾滑動(dòng)軸(2)，薄膜連接板(3)，薄膜連接拉伸臺(tái)(5)，所述的薄膜連接板(3)在燕尾滑動(dòng)軸上沿y軸移動(dòng)，被測(cè)薄膜的一端與該連接板相連接，其另一端連接在拉伸臺(tái)(5)上；所述位置和角度調(diào)整部分包括設(shè)置在基底上的位置和角度調(diào)整架(7)，設(shè)置在基底上的x方向燕尾滑動(dòng)軸(8)；所述的驅(qū)動(dòng)部分含有直流可編程電源，由該電源所驅(qū)動(dòng)的壓電陶瓷微位移器(10)以及位于壓電陶瓷微位移器兩邊的拉緊彈簧(14)，其中壓電陶瓷微位移器和拉緊彈簧的一端與設(shè)置在基底上的夾板(9)連接，另一端與滑板(12)連接，該滑板通過(guò)螺桿(11)與x向燕尾滑動(dòng)軸連接，通過(guò)壓電陶瓷微位移器推動(dòng)滑板，并帶動(dòng)螺桿和x向燕尾滑動(dòng)軸實(shí)現(xiàn)薄膜單向拉伸，拉伸彈簧使滑板在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中平穩(wěn)并在卸載時(shí)歸位；所述的拉伸載荷檢測(cè)部分含有鈹青銅測(cè)力彈性梁(6)，鈹青銅測(cè)力彈性梁兩端固定在所述的位置和角度調(diào)整架(7)上。
2.按照權(quán)利要求
1所述的基于原子力掃描顯微鏡環(huán)境下的薄膜拉伸加載裝置，其特征在于所述的位置和角度調(diào)整架(7)包括通由拉緊彈簧相連接的前后兩個(gè)鋁合金平板(7a、7e)，z向滑動(dòng)軸(7g)，z向微調(diào)螺絲(7d)和設(shè)置在前平板上的連接橫桿(7h)，在所述的兩平板間的一角處用鋼珠(7c)支撐，另一對(duì)角位置用微調(diào)螺絲(7j)穿透后平板(7e)頂在前平板(7a)上；后平板(7e)固定或沿z向滑動(dòng)軸(7g)移動(dòng)，該z向滑動(dòng)軸與x向燕尾滑動(dòng)軸(8)連接在一起，z向微調(diào)螺絲(7d)穿透后平板頂在連接橫桿(7h)上；前平板(7a)和后平板(7e)由加緊板(7b)和鎖定螺絲(7f)鎖定。
3.一種利用如權(quán)利要求
1所述的基于原子力掃描顯微鏡環(huán)境下的薄膜拉伸加載裝置進(jìn)行薄膜變形測(cè)量的方法，其特征在于該方法按如下步驟進(jìn)行1)將被測(cè)薄膜先在光學(xué)顯微鏡下沿拉伸軸線分別夾持在連接板(3)與拉伸臺(tái)(5)上，并通過(guò)位置和角度調(diào)整架獲得平直的薄膜夾持，然后將裝載好薄膜的原子力掃描顯微鏡環(huán)境下的薄膜拉伸加載裝置放入原子力掃描顯微鏡檢測(cè)平臺(tái)；2)調(diào)整原子力掃描顯微鏡系統(tǒng)的檢測(cè)平臺(tái)位置、成像、掃描參數(shù)并使其處在檢測(cè)狀態(tài)，然后利用原子力掃描顯微鏡環(huán)境下的薄膜拉伸加載裝置的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)薄膜試件拉伸加載，并同時(shí)通過(guò)原子力掃描顯微鏡掃描成像，并記錄薄膜檢測(cè)區(qū)域的序列變形圖像；3)對(duì)所得的序列變形圖像分別進(jìn)行數(shù)字圖像相關(guān)分析、雙曝光數(shù)字散斑分析或微標(biāo)記法分析，獲得薄膜拉伸時(shí)檢測(cè)區(qū)域的變形值；與此同時(shí)通過(guò)檢測(cè)測(cè)力彈性梁的撓度值并乘上預(yù)先標(biāo)定的彈性常數(shù)，即獲得薄膜的微拉伸載荷；4)利用獲得的拉伸載荷和薄膜的變形值，得到力—位移曲線、應(yīng)力—應(yīng)變曲線和楊氏模量的計(jì)算。
4.一種基于電子束掃描顯微鏡環(huán)境下的薄膜拉伸加載裝置，其特征在于該裝置包括支撐和夾持部分、位置和角度調(diào)整機(jī)構(gòu)以及拉伸載荷檢測(cè)部分，所述的支撐和夾持部分包括力緩沖基底(15)，用于y向調(diào)整的兩個(gè)豎向簧片(17)，微位移調(diào)整架(18)，與被測(cè)薄膜固定端相連接的連接板(53)以及與被測(cè)薄膜自由端連接的拉伸臺(tái)(55)，通過(guò)設(shè)置在力緩沖基底上的壓板(16)所述的兩個(gè)豎向簧片與緩沖基底連成一體；所述微位移調(diào)整架連接在豎向簧片的上部，該微位移調(diào)整架與連接板相連接；所述位置和角度調(diào)整機(jī)構(gòu)包括設(shè)置在力緩沖基底上的位置和角度調(diào)整架(57)，設(shè)置在力緩沖基底上的x方向燕尾滑動(dòng)軸(58)；所述的拉伸載荷檢測(cè)部分含有鈦合金測(cè)力彈性梁(56)，該鈦合金測(cè)力彈性梁兩端固定在所述的位置和角度調(diào)整架(57)上。
5.一種利用如權(quán)利要求
4所述的基于電子束掃描顯微鏡環(huán)境下的薄膜拉伸加載裝置進(jìn)行薄膜變形測(cè)量的方法，其特征在于該方法按如下步驟進(jìn)行1)將被測(cè)薄膜先在光學(xué)顯微鏡下沿拉伸軸線分別夾持在連接板(53)與拉伸臺(tái)(55)上，并通過(guò)位置和角度調(diào)整架獲得平直的薄膜夾持，然后將裝載好薄膜的電子束掃描顯微鏡環(huán)境下的薄膜拉伸加載裝置放入電子束掃描顯微鏡的真空檢測(cè)室內(nèi)；2)調(diào)整電子束掃描顯微鏡系統(tǒng)的檢測(cè)平臺(tái)位置、成像、掃描參數(shù)并使其處在檢測(cè)狀態(tài)下，然后利用電子束掃描顯微鏡的自動(dòng)加載系統(tǒng)拉伸電子束掃描顯微鏡環(huán)境下的薄膜拉伸加載裝置上的力緩沖基底對(duì)被測(cè)薄膜單軸拉伸，并通過(guò)電子束掃描顯微鏡的聚焦電子束對(duì)薄膜進(jìn)行二維掃描成像獲得薄膜檢測(cè)區(qū)域的序列變形圖像；3)對(duì)所得的序列變形圖像進(jìn)行數(shù)字圖像相關(guān)分析、雙曝光數(shù)字散斑分析或微標(biāo)記法分析，獲得薄膜拉伸時(shí)檢測(cè)區(qū)域的變形值；與此同時(shí)通過(guò)檢測(cè)鈦合金測(cè)力彈性梁的撓度值并乘上預(yù)先標(biāo)定的彈性常數(shù)，即獲得薄膜的微拉伸載荷；4)利用獲得的拉伸載荷和薄膜的變形值，即得到力—位移曲線、應(yīng)力—應(yīng)變曲線和楊氏模量值的計(jì)算。
專(zhuān)利摘要
一種掃描顯微環(huán)境下的薄膜拉伸加載裝置與薄膜變形測(cè)量方法，屬顯微掃描無(wú)損檢測(cè)和精密機(jī)械領(lǐng)域。該發(fā)明是通過(guò)設(shè)計(jì)能進(jìn)行三維位置和角度調(diào)整的機(jī)械結(jié)構(gòu)、壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、力緩沖系統(tǒng)等在原子力掃描顯微鏡和電子束掃描顯微鏡檢測(cè)平臺(tái)上完成薄膜變形測(cè)量，可對(duì)微尺度薄膜的全域或局部區(qū)域的變形場(chǎng)進(jìn)行定量檢測(cè)，被測(cè)薄膜厚度從數(shù)微米到亞微米厚度，裝置可以多次使用，適合不同厚度和尺度的薄膜材料和結(jié)構(gòu)的變形檢測(cè)，可結(jié)合雙曝光數(shù)字散斑技術(shù)、圖像相關(guān)技術(shù)或微標(biāo)記技術(shù)實(shí)現(xiàn)高空間分辨鏡原子力掃描顯微鏡或電子束掃描顯微鏡環(huán)境下的薄膜原位、在線檢測(cè)。
文檔編號(hào)G01Q60/04GKCN1731135SQ200510086228
公開(kāi)日2006年2月8日 申請(qǐng)日期2005年8月15日
發(fā)明者李喜德, 楊燕 申請(qǐng)人:清華大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan