专利名称：一体化双视场实时薄膜微变形测量仪的制作方法
技术领域：
本实用新型属于光电无损检测装置范围，特别涉及一种一体化双视场实时薄膜微变形测量仪。
背景技术：
薄膜材料和结构是构成微电子器件(MEMS)和微电光器件(MEOS)的基础。由于MEMS器件要求薄膜不仅有良好的电、磁、光性质，还要求器件中的薄膜结构能够承受机械载荷、传递力和运动。显然，作为微器件的组成部分，薄膜结构将不可避免地参与完成微器件的传感、处理和执行功能。因此任何由于环境相互作用而导致的薄膜失效，都必将影响微器件和结构的可靠性。研究薄膜材料和结构的变形和断裂机理，对于了解膜材料自身的力学性能、优化微器件的设计、制造和材料选择都将具有重要的理论意义和工程应用价值。
众所周知，薄膜材料的力学性能与具有相同化学成分的体材料的力学性能有较大差异，因此对薄膜材料和结构的直接检测就显得尤为必要。然而由于膜自身的特殊结构(在厚度方向为低维)，因此传统的力学性能测试技术与设备已经很难直接用于微米和亚微米厚度薄膜材料和结构的变形测试。目前薄膜材料的检测技术主要有压痕法、薄膜弯曲法、鼓膜法、微结构法和单轴拉伸法等。其中单轴拉伸是测量薄膜弹性模量、泊松比、屈服强度和断裂强度等最直接的方法。因为它的力学理论基础简单明了，没有过多的前提假设，大大减小了理论处理误差，而且拉伸试验操作过程简单，可测定的性能指标多，测试结果通用性好。但是其相应的试验仪器还存在夹持与粘接中，可靠与否不能确定、试样在安装中可能引起的微机械损伤在检测中无法知道、试样轴线与拉伸轴线校准与否无法确定、由于试样长度通常很短，其在拉伸时的有效伸长难以直接测量等。

发明内容
本实用新型的目的是提供一个集薄膜单轴变形与轴向拉伸微力测量于一体的一体化双视场实时薄膜微变形测量仪。其特征在于它的外置激光器1，光分束器2(2a、2b、2c、2d、2e)，扩束镜3(3a、3b、3c、3d)，成像透镜4(4a、4b)和固体摄像器件5(5a、5b)依光路进行连接，计算机及图像处理单元6接至固体摄像器件5的信号输出口，全反镜8将外置激光器1发射的光束反射到MFU单轴拉伸与弯曲微力加载单元9(图中虚线框中部分)中被测薄膜试件7上，被测薄膜试件7连接到测力弹性梁10上，在单向拉伸时使测力弹性梁10弯曲变形。
所述MFU单轴拉伸与弯曲微力加载单元的具体结构是在基底11上水平安装精密移动旋柄12、配合块13和滑动块14；螺旋测微丝杆15垂直固定在滑动块14和薄膜固定端夹持台16上，被测薄膜试件7夹持在可动块17和薄膜固定端夹持台16之间，测力弹性梁10支撑在微力加载弹性梁夹具18、磁铁19和薄膜移动端夹持台22及压块23上，并可在横向轨道20内和精密移动平台21上移动。
本实用新型的有益效果是可以直接对薄膜的拉伸、弯曲变形场及微小拉伸力进行定量、实时、全场检测，适应数十微米到亚微米厚度薄膜的变形检测与其力学性能分析；能实时显示薄膜的拉伸、夹持、状态，使其符合单轴拉伸并具有理想的夹持与约束(通过实时相关条纹的变化即可确定)。检测位移灵敏度在光束入射角为θ＝30°时，可达二分之一波长(0.3164微米)；微力范围从15牛顿到88微牛顿，具有较宽的施力范围。


图1为检测仪的结构原理示意图。
图2是单轴拉伸与弯曲微力加载单元MFU的结构示意图，(a)侧视图，(b)俯视图。
具体实施方式
本实用新型是一个集薄膜单轴变形与轴向拉伸微力测量于一体的一体化双视场实时薄膜微变形测量仪。图1、图2(a)(b)所示为检测仪的结构原理示意图，它的外置激光器1，光分束器2(2a、2b、2c、2d、2e)，扩束镜3(3a、3b、3c、3d)，成像透镜4(4a、4b)和固体摄像器件5(5a、5b)依光路进行连接，计算机及图像处理单元6接至固体摄像器件5的信号输出口，全反镜8将外置激光器1发射的光束反射到MFU单轴拉伸与弯曲微力加载单元9(图中虚线框中部分)中被测薄膜试件7上，被测薄膜试件7连接到测力弹性梁10上，并在单向拉伸时使测力弹性梁10弯曲变形。该MFU单轴拉伸与弯曲微力加载单元的具体结构是在基底11上水平安装精密移动旋柄12、配合块13和滑动块14；螺旋测微丝杆15垂直固定在滑动块14和薄膜固定端夹持台16上，被测薄膜试件7夹持在可动块17和薄膜固定端夹持台16之间，测力弹性梁10支撑在微力加载弹性梁夹具18、磁铁19和薄膜移动端夹持台22及压块23上，并可在横向轨道20内和精密移动平台21上移动。
图1、图2(a)(b)所示的检测仪的工作方式为当工作在薄膜单轴拉伸变形检测时，首先将单轴拉伸与MFU弯曲微力加载单元9固定在光学检测台基底11上，然后将标定过的测力弹性梁10夹持在MFU的精密移动平台21上，最后将被测自持薄膜7一端夹持在MFU的薄膜固定端夹持台16上，另一端夹持在薄膜移动端夹持台22上，薄膜移动端夹持台22与测力弹性梁10的中央部位线连接。双视场电子散斑干涉(ESPI)由离面ESPI和面内ESPI两部分组成，分别完成薄膜变形检测中微力和薄膜拉伸变形检测。其中测量微力的离面ESPI由物光系统OI(经由光分束器2b、2c，2e，扩束镜3b)，参考光系统R(经由光分束器2a、2d，扩束镜3a)，场镜4a，固体摄像器件5a和图像处理单元6等组成。离面ESPI完成测力弹性梁10的离面位移测量(挠度测量)，并通过已标定的力-挠度数据，获得薄膜拉伸力。而测量薄膜拉伸变形的面内ESPI由物光系统O2(经由光分束器2b、2c，扩束镜3c)、物光系统O3(经由光分束器2b，全反镜8，扩束镜3d)、场镜4b、固体摄像器件5b和图像处理单元6等组成。上述装置可以应用于宏观薄膜试件，也可以应用于微小尺度薄膜试件。
权利要求1.一种一体化双视场实时薄膜微变形测量仪，其特征在于它的外置激光器(1)，光分束器(2)，扩束镜(3)，成像透镜(4)和固体摄像器件(5)依光路进行连接，计算机及图像处理单元(6)接至固体摄像器件(5)的信号输出口，全反镜(8)将外置激光器(1)发射的光束反射到MFU单轴拉伸与弯曲微力加载单元(9)中被测薄膜试件(7)上，被测薄膜试件(7)连接到测力弹性梁(10)上。
2.根据权利要求1所述一体化双视场实时薄膜微变形测量仪，其特征在于所述MFU单轴拉伸与弯曲微力加载单元的具体结构是在基底(11)上水平安装精密移动旋柄(12)、配合块(13)和滑动块(14)；螺旋测微丝杆(15)垂直固定在滑动块(14)和薄膜固定端夹持台(16)上，被测薄膜试件(7)夹持在可动块(17)和薄膜固定端夹持台(16)之间，测力弹性梁(10)支撑在微力加载弹性梁夹具(18)、磁铁(19)和薄膜移动端夹持台(22)及压块(23)上，并可在横向轨道(20)内和精密移动平台(21)上移动。
专利摘要本实用新型公开了属于光电无损检测和精密机械领域的一体化双视场实时薄膜微变形测量装置及方法。检测装置的激光器、光分束器、扩束镜、成像透镜、固体摄像机及全反镜等组成面内、离面ESPI检测单元按光路连接分别安置在一光学隔振平台上；单轴拉伸与弯曲微力加载单元MFU置于双视场光路中。本方法是按薄膜单轴变形与轴向拉伸微力测量同时进行，利用面内ESPI干涉单元和离面ESPI干涉单元分别对被测膜表面和测力弹性梁弯曲面的散斑图进行记录和处理，按通用计算方法计算出被测膜的各种力学参数。适用微米到亚微米厚度薄膜力学性能检测与分析。
文档编号G01N21/41GK2695959SQ20042004828
公开日2005年4月27日 申请日期2004年4月14日 优先权日2004年4月14日
发明者李喜德, 杨燕 申请人:清华大学