專利名稱：薄膜材料動態(tài)彎曲疲勞性能測試系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及小尺度薄膜材料動態(tài)彎曲疲勞性能測試系統(tǒng)，具體為
對各種微/納電子機械系統(tǒng)(MEMS/NEMS)用有基體支持或無基體支持的 薄膜材料、集成電路用金屬化互連體箔材料以及各種二維薄板類材料進行 動態(tài)彎曲疲勞性能測試系統(tǒng)的搭建和疲勞性能的測試與評價。
背景技術：
隨著微電子器件小型化的進一步發(fā)展，具有微米或納米厚度的有/無基 體支持的各類單層或多層薄膜材料廣泛應用于大規(guī)模集成電路互連體布 線、磁性存貯介質以及MEMS/NEMS用器件等領域。這些器件中所用的薄 膜材料在實際工作中經(jīng)常受到周期性循環(huán)載荷的作用而發(fā)生疲勞失效，從 而影響器件的使用壽命及服役可靠性。例如，在微型射頻開關中，具有微 米厚度的懸臂梁器件經(jīng)常受到高頻諧振的作用而引起疲勞損傷，微構件中 損傷的出現(xiàn)會逐漸改變其響應頻率及電阻值等物理參量，從而影響了微傳 感器及制動器的輸出量，甚至導致器件最終失效。因此，測試薄膜類材料 在循環(huán)載荷、尤其是在動態(tài)彎曲疲勞載荷作用下的疲勞性能，揭示其疲勞 損傷機制，對薄膜材料器件的使用壽命進行正確評價具有非常重要的理論 研究意義和實際應用價值。
然而，當薄膜材料的厚度小到微米甚至納米尺度時，適用于常規(guī)塊體 材料的諸多力學性能測試系統(tǒng)和測試方法已經(jīng)無法滿足這類小尺度材料性 能測試的要求，如施加載荷精度不夠、試樣夾持方法不當?shù)鹊?。國?nèi)外相 關領域的學者嘗試設計和采用了各種精巧的實驗手段對各類薄膜材料進行 力學性能測試和評價，例如采用納米壓痕儀對懸臂梁試樣進行動態(tài)彎曲實 驗，但由于試樣制備方法復雜、造價昂貴、測試效率較低且對被測薄膜材 料體系有特殊要求而無法被廣泛采用。因此，開發(fā)新的、適用于薄膜與小 尺度材料的疲勞實驗系統(tǒng)及性能測試方法至關重要。

實用新型內(nèi)容
本實用新型的目的在于提供一種小尺度薄膜材料動態(tài)彎曲疲勞性能測 試系統(tǒng)，解決常規(guī)測試系統(tǒng)施加載荷精度不夠、試樣夾持方法不當?shù)葐栴}。 該系統(tǒng)具有測試精度高、對樣品制備要求相對較低、可以對試樣施加疲勞 載荷類型變化多樣、加載頻域寬、可以對懸臂梁試樣自由端的位移進行連 續(xù)實時監(jiān)測等優(yōu)點。
本實用新型的技術方案是
一種小尺度薄膜材料動態(tài)彎曲疲勞性能測試系統(tǒng)和測試方法，該測試 系統(tǒng)由三部分組成
(1) 電磁驅動部分。由電源、永久磁鐵、支撐彈簧、線圈和驅動桿組 成。電源與線圈電連接，線圈內(nèi)側設置永久磁鐵，電源產(chǎn)生的交流信號通 入線圈，線圈在永久磁鐵所產(chǎn)生的磁場中受到周期性的循環(huán)作用力，支撐 彈簧的一端固定在基架上，另一端與線圈相連，線圈在循環(huán)力的作用下拉、 壓支撐彈簧，同時帶動與線圈相連的驅動桿做往復運動，從而對一端固定、 另一端搭載到驅動桿上的懸臂梁試樣施加循環(huán)彎曲疲勞載荷，驅動桿的上 端預先加工成能夠適應不同種類薄膜試樣尺寸的凹槽；
(2) 試樣夾持部分。由基架和夾持在其上可自由調(diào)節(jié)的夾具組成，試 樣的一端通過夾具固定在基架上，試樣呈懸臂梁狀態(tài)，其自由端卡入預先 加工好的驅動桿上不同規(guī)格尺寸的凹槽中-,
(3) 測量與觀察部分。由計算機、與之相連的激光位移傳感器和光學
顯微鏡組成，激光位移傳感器對試樣自由端的位移進行實時監(jiān)測，并將信 號傳遞給計算機進行記錄，與計算機相連的光學顯微鏡對試樣表面形貌進 行實時觀察與攝錄像。
本實用新型薄膜材料的動態(tài)彎曲疲勞性能測試方法，利用上述測試系
統(tǒng)，具體測試步驟如下(1)調(diào)節(jié)可動夾具的夾頭高度，使其與符合樣品 尺寸要求的驅動桿上凹槽在同一水平高度；(2)將試樣一端固定在夾具上， 另一端卡入驅動桿相應的凹槽中；(3)將電源產(chǎn)生的交流信號輸入線圈；(4) 利用通交流電的線圈在永久磁鐵產(chǎn)生的磁場中受到周期性往復作用力來帶 動懸臂梁試樣自由端振動，從而測試試樣的疲勞性能。(5)激光位移傳感
器對試樣自由端位移進行實時監(jiān)測，光學顯微鏡對試樣在疲勞載荷作用下 的表面形貌變化進行實時觀察與攝錄像，采集到的位移與圖像信息由計算 機進行存儲。
本實用新型所測試的薄膜材料為通過各種目前已知方法制備的有基體 支持或無基體支持的單層或多層薄膜、箔類、二維薄板類材料等。
本實用新型對薄膜材料所施加的載荷頻率為0.01 Hz 1000Hz。 本實用新型所述的小尺度薄膜材料是指各種在厚度方向上具有微米、
亞微米以及納米尺度的無基體支持或有基體支持的薄膜、箔類以及各種薄
板類材料。
本實用新型的特點在于
1、 本實用新型所設計的動態(tài)彎曲疲勞性能測試系統(tǒng)可以對各種具有一 維(厚度)方向上尺寸小的薄膜、箔及薄板狀材料進行疲勞性能測試，對 被測試樣制備沒有特殊要求，只要加工成薄板狀試樣即可。
2、 本實用新型測試系統(tǒng)可以對小尺度試樣施加微小疲勞載荷，可以達 到目前已知的材料疲勞性能測試系統(tǒng)很難達到的毫牛頓量級的載荷測試精 度。
3、 本實用新型測試方法對于薄膜類小尺度試樣夾持方法沒有特殊要 求，試樣夾持簡便快捷。
4、 本實用新型測試系統(tǒng)可對被測試樣施加不同頻率與波形的交變載 荷，施載頻率范圍寬。
5、 本實用新型所搭建的薄膜材料疲勞性能測試系統(tǒng)在測試過程中可以 對被測試樣中疲勞裂紋擴展行為進行實時觀測與分析。
6、 本實用新型所設計的動態(tài)彎曲疲勞實驗系統(tǒng)實施測試時簡單易行， 整套裝置造價低廉，尤其適用于微懸臂梁類微小構件及材料。
7、 本實用新型對被測試樣制備沒有特殊要求，只要加工成二維薄板類 樣品即可。


圖1為小尺度薄膜材料動態(tài)彎曲疲勞性能測試系統(tǒng)的示意圖。
圖中，l電源；2永久磁鐵；3支撐彈簧；4線圈；5驅動桿；6試樣； 7夾具；8基架；9激光位移傳感器；10光學顯微鏡；ll計算機。
具體實施方式

以下結合附圖和實施例詳述本實用新型。 如圖1所示整個測試系統(tǒng)由三部分組成 (1)電磁驅動部分；(2)試樣夾持部分；(3)測量與觀察部分。
(1) 電磁驅動部分包括電源l、永久磁鐵2、支撐彈簧3、線圈4和驅 動桿5。電源1與線圈4電連接，線圈4內(nèi)側設置永久磁鐵2。將電源l所 產(chǎn)生的交流信號通入線圈4，線圈4在永久磁鐵2所產(chǎn)生的磁場中受到周期 性的循環(huán)作用力，支撐彈簧3的一端固定在基架8上，另一端與線圈4相 連，線圈4在循環(huán)力的作用下拉、壓支撐彈簧3，同時帶動與線圈4相連的 驅動桿5做往復運動。驅動桿5的上端預先加工成能夠適應不同種類薄膜 試樣尺寸的凹槽。
(2) 試樣夾持部分由基架8和夾持在其上可自由調(diào)節(jié)的夾具7組成。 被測試樣6的一端固定在水平及高度方向可自由調(diào)節(jié)的夾具7上，夾具7 固定在基架8上，試樣6呈懸臂梁狀態(tài)，試樣6的自由端卡入預先加工好 的驅動桿5上不同規(guī)格尺寸的凹槽中。安裝試樣6時，首先根據(jù)試樣厚度 和長度將夾具7與驅動桿5上相應凹槽調(diào)節(jié)在同一水平高度處，然后將試 樣6—端用夾具7固定，自由端卡入驅動桿5相應尺寸的凹槽中，形成一 個懸臂梁試樣。通過驅動桿5的往復運動帶動懸臂梁試樣6做循環(huán)往復的 振動，從而對試樣施加周期性循環(huán)彎曲疲勞載荷。
(3) 觀察與測量部分是由計算機11、與之相連的激光位移傳感器9和 光學顯微鏡10組成。激光位移傳感器9可以實時記錄懸臂梁試樣6自由端 的位移，通過計算機11采集存儲而繪制出位移一時間曲線。光學顯微鏡10 可以對試樣表面形貌進行觀察，通過CCD探頭可以實時記錄試樣表面形貌 演變過程。
實施例1
本實用新型測試系統(tǒng)原理圖如圖1所示。
采用磁控濺射方法在厚度為125 iLim的聚酰亞胺基體上制備總厚度為1 (xm單層厚度均為500 nm的Cu-Ta雙層薄膜。將樣品裁切成12 mm x 2 mm 的矩形試樣作為被測試樣。首先調(diào)節(jié)基架上夾具，使其與試樣厚度相應的 驅動桿上的凹槽位于同一水平面上，然后將試樣的一端固定在夾具上，試 樣的另一端卡入驅動桿凹槽中。電源產(chǎn)生頻率為100Hz的交流電信號輸入
線圈中，從而帶動驅動桿做周期性的往復運動，驅動試樣自由端發(fā)生振動。
激光位移傳感器測得試樣自由端振幅為760 pm。經(jīng)8.64x106周次疲勞測試 后，通過掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，試樣表面裂紋邊緣有明顯的滑移現(xiàn)象發(fā)生， 滑移區(qū)域大小可達3~6個晶粒尺寸。 實施例2
利用線切割將厚度為180 pm的軋制態(tài)銅箔制成8 mm x 2 mm的矩形試 樣作為被測試樣。調(diào)節(jié)基架上夾具，使其與試樣厚度相應的驅動桿凹槽在 同一水平面上，然后將試樣的一端用夾具固定，另一端卡入凹槽中。電源 產(chǎn)生頻率為50 Hz的交流電信號輸入線圈中，在磁場中線圈帶動驅動桿做 周期性往復運動，從而驅動試樣自由端振動。經(jīng)2.57><106周次疲勞加載后， 試樣發(fā)生斷裂。掃描電鏡觀察表明，試樣表面有明顯的疲勞擠出現(xiàn)象發(fā)生。 單位面積內(nèi)的疲勞擠出條帶的數(shù)量隨著距懸臂梁根部距離的增加而減小。 疲勞擠出條帶與加載軸方向(Loading direction)間夾角為45° 70。之間。
實施例的結果表明，本實用新型小尺度薄膜材料的動態(tài)彎曲疲勞性能 測試系統(tǒng)的建立和測試方法，該系統(tǒng)提供了對各種微/納電子機械系統(tǒng) (MEMS/NEMS)用有基體支持或無基體支持的薄膜材料、集成電路用金 屬化互連體箔材料以及各種二維薄板類材料進行動態(tài)彎曲疲勞性能測試的 功能和測試方法，同時可以對被測試樣形貌進行原位的實時監(jiān)測與分析記 錄。利用通電線圈在恒定磁場中所受的電磁力驅動懸臂梁試樣的自由端相 對其平衡位置做往復運動，從而對各類材料試樣施加各種類型的循環(huán)疲勞 載荷，且所施加疲勞載荷的精度可以達到毫牛頓量級。本實用新型結合原 位的微觀觀察及隨后的掃描電鏡表征，可對各類薄膜材料的疲勞性能及疲 勞裂紋擴展行為進行評價。
權利要求1、一種薄膜材料動態(tài)彎曲疲勞性能測試系統(tǒng)，其特征在于，該測試系統(tǒng)由以下三部分組成(1)電磁驅動部分由電源、永久磁鐵、支撐彈簧、線圈和驅動桿組成，電源與線圈電連接，線圈內(nèi)側設置永久磁鐵，電源產(chǎn)生的交流信號通入線圈，線圈在永久磁鐵所產(chǎn)生的磁場中受到周期性的循環(huán)作用力，支撐彈簧的一端固定在基架上，另一端與線圈相連，線圈在循環(huán)力的作用下拉、壓支撐彈簧，同時帶動與線圈相連的驅動桿做往復運動，從而對一端固定、另一端搭載到驅動桿上的懸臂梁試樣施加循環(huán)彎曲疲勞載荷，驅動桿的上端預先加工成能夠適應不同種類薄膜試樣尺寸的凹槽；(2)試樣夾持部分由基架和夾持在其上可自由調(diào)節(jié)的夾具組成，被測試樣的一端固定在水平及高度方向可自由調(diào)節(jié)的夾具上，夾具固定在基架上，試樣呈懸臂梁狀態(tài)，試樣的自由端卡入預先加工好的驅動桿上不同規(guī)格尺寸的凹槽中；(3)測量與觀察部分由計算機、與之相連的激光位移傳感器和光學顯微鏡組成，激光位移傳感器監(jiān)測被測試樣自由端在測試過程中所發(fā)生的位移，并將信號傳遞給計算機進行記錄，與計算機相連的光學顯微鏡對試樣表面形貌進行實時觀察與攝錄像。
專利摘要本實用新型涉及一種薄膜材料動態(tài)彎曲疲勞性能測試系統(tǒng)，解決常規(guī)測試系統(tǒng)施加載荷精度不夠、試樣夾持方法不當?shù)葐栴}。該測試系統(tǒng)由電磁驅動部分、試樣夾持部分和測量與觀察部分組成，電磁驅動部分由電源、永久磁鐵、支撐彈簧、線圈和驅動桿組成，電源與線圈電連接，線圈內(nèi)側設置永久磁鐵；試樣夾持部分由基架和夾持在其上可自由調(diào)節(jié)的夾具組成，被測試樣的一端固定在水平及高度方向可自由調(diào)節(jié)的夾具上，夾具固定在基架上，試樣呈懸臂梁狀態(tài)，試樣的自由端卡入預先加工好的驅動桿上不同規(guī)格尺寸的凹槽中；測量與觀察部分由計算機、與之相連的激光位移傳感器和光學顯微鏡組成。本實用新型適于對各類薄膜材料的疲勞性能及疲勞裂紋擴展行為進行評價。
文檔編號G01N3/32GK201212871SQ20082001247
公開日2009年3月25日 申請日期2008年4月30日 優(yōu)先權日2008年4月30日
發(fā)明者濱 張, 張廣平, 朱曉飛 申請人:中國科學院金屬研究所