本发明涉及一种力学特性测试装置。特别是涉及一种用于透明基底薄膜表界面力学特性测量的实验装置。
背景技术：
薄膜与基底自身，以及薄膜与基底之间的力学特性如粘附特性直接影响着样品的特性和应用。理论与实验研究均表明，薄膜与基底的材料特性、制备方法与工艺、制备过程中的环境和条件、样品应用条件及状况等都可能影响粘附特性。而能量释放率是评价粘附特性的主要指标之一。对能量释放率的理论研究已相当成熟，而实验手段相对滞后。目前的检测与实验装置大多以近似或离线的方式进行测量，加载与测试分离使部分脱粘隐去而很难测量，测试中产生的薄膜变形用压头半径近似，脱粘面积依靠仿真或推算，且测试数据无法标定等等，这些缺陷不能满足薄膜或超薄膜粘附特性精确表征的要求。因此为了高精度的获取脱粘能与脱粘区域的脱粘面积，从而能够更精确地计算出界面能量释放率等薄膜与基底粘附特性信息，本发明提出了一种适用于薄膜力学特性原位在线测试的实验装置。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能原位高精度的获取脱粘能与脱粘区域的面积，从而能够更精确地计算出界面能量释放率等薄膜与基底粘附特性信息的用于透明基底薄膜表界面力学特性测量的实验装置，
本发明所采用的技术方案是：一种用于透明基底薄膜表界面力学特性测量的实验装置，包括中空式微位移单元，设置在所述中空式微位移单元上的用于加载被测薄膜的水平加载单元，位于所述水平加载单元上方用于对被测薄膜进行力曲线测试的微悬臂梁测试单元，以及位于所述中空式微位移单元的下方用于采集被测薄膜的图像数据的显微干涉测试单元，还设置有信号处理单元，所述信号处理单元分别与所述的微悬臂梁测试单元、水平加载单元、中空式微位移单元和显微干涉测试单元的信号输入输出端相连，分别用于对微悬臂梁测试单元的弹性系数进行标定和采集存储微悬臂梁测试单元的测试数据，控制水平加载单元对被测薄膜施加载荷，控制中空式微位移单元的移动使显微干涉测试单元能够在光学图像中选择合适的脱粘区域，并采集显微干涉测试单元获取的数据。
所述的微悬臂梁测试单元与显微干涉测试单元为同轴设置。
所述的信号处理单元是由计算机控制部分和下位机控制部分构成，其中所述的计算机控制部分包括有计算机，所述的计算机通过以太网连接所述显微干涉测试单元，通过rs232接口连接用于标定微悬臂梁测试单元弹性系数的超精密电磁补偿天平，所述的计算机分别通过usb接口连接用于测量照射在所述微悬臂梁测试单元上的光斑的ccd图像传感器、用于观测所述微悬臂梁测试单元中微悬臂梁探针移动的摄像头、用于控制水平加载单元对被测薄膜施加载荷的高精度电位移控制器的一侧，以及用于控制中空式微位移单元的水平移动的中空式微位移单元控制器的一侧，所述高精度电位移控制器的另一侧连接水平加载单元，所述中空式微位移单元控制器的另一侧连接中空式微位移单元；所述的下位机控制部分包括有fpga控制芯片，所述fpga控制芯片通过usb接口连接计算机控制部分中的计算机，所述fpga控制芯片的驱动输出端通过步进电机控制器连接水平加载单元，所述fpga控制芯片的信号输入端连接用于检测被测薄膜水平度的水平仪，所述fpga控制芯片的信号输入端还分别通过第一a/d转换模块和第二a/d转换模块连接用于采集微悬臂梁测试单元的悬臂梁弯曲度的信号前处理单元，所述fpga控制芯片的信号输出端通过第三a/d转换模块依次连接高压放大器和z向压电陶瓷微位移器，所述z向压电陶瓷微位移器分别设置在所述被测薄膜的底部和微悬臂梁测试单元的上方，用于驱动被测薄膜和微悬臂梁测试单元的上下移动。
所述fpga控制芯片的信号输入端还分别连接用于检测环境温度的温度传感器和用于检测环境湿度的湿度传感器。
所述的信号前处理单元包括有：用于采集所述微悬臂梁测试单元的弯曲度信号的四象限光电探测器，连接成所述四象限光电探测器的输出端用于对所采集的弯曲度信号进行转换放大的i/v转换放大器，以及分别连接在所述i/v转换放大器的输出端用于对转换放大后的输出信号分别进行处理的第一减法器和第二减法器，所述第一减法器的输出端连接所述第一a/d转换模块的输入端，所述第二减法器的输出端连接所述第二a/d转换模块。
本发明的一种用于透明基底薄膜表界面力学特性测量的实验装置，可以实现微悬臂梁探针压入时薄膜变形的三维测试，并实现对脱粘能测量的补偿；可以对被测薄膜样品实现可精确控制的载荷，并利用微悬臂梁与显微干涉技术组合式的测量系统，对薄膜表界面力学特性进行原位高精度测量。本发明在薄膜受载荷作用影响的同时，实现脱粘能及面积的原位测量，微悬臂梁标定模式保证了力曲线数据的可靠性，脱粘面积可以直接测量获得，进而提高了薄膜界面能量释放率的测量精度，保证了测量数据的实效性和可靠性。本发明在薄膜制备和特性表征时，本发明能原位高精度的获取脱粘能与脱粘区域的面积，从而能够更精确地计算出界面能量释放率等薄膜与基底粘附特性信息，特别适用于薄膜与基底粘附特性的评价，为薄膜制备提供技术支撑。
附图说明
图1是本发明一种用于透明基底薄膜表界面力学特性测量的实验装置的结构示意图；
图2是本发明中信号处理单元的构成框图。
图中
1：中空式微位移单元2：水平加载单元
3：微悬臂梁测试单元4：信号处理单元
41：计算机控制部分411：计算机
412：超精密电磁补偿天平413：ccd图像传感器
414：摄像头415：高精度电位移控制器
416：中空式微位移单元控制器42：下位机控制部分
421：fpga控制芯片422：步进电机控制器
423：温度传感器424：湿度传感器
425：水平仪426：第一a/d转换模块
427：第二a/d转换模块428：信号前处理单元
4281：四相限光电探测器4282：i/v转换放大器
4283：第一减法器4284：第二减法器
429：第三a/d转换模块4210：高压放大器
4211：z向压电陶瓷微位移器5：显微干涉测试单元
6：被测薄膜
具体实施方式
下面结合实例和附图对本发明的一种用于透明基底薄膜表界面力学特性测量的实验装置做出详细说明。
如图1所示，本发明的一种用于透明基底薄膜表界面力学特性测量的实验装置，包括中空式微位移单元1，设置在所述中空式微位移单元1上的用于加载被测薄膜6的水平加载单元2，位于所述水平加载单元2上方用于对被测薄膜6进行力曲线测试的微悬臂梁测试单元3，以及位于所述中空式微位移单元1的下方用于采集被测薄膜6的图像数据的显微干涉测试单元5，还设置有信号处理单元4，所述的微悬臂梁测试单元3与显微干涉测试单元5为同轴设置。所述信号处理单元4分别与所述的微悬臂梁测试单元3、水平加载单元2、中空式微位移单元1和显微干涉测试单元5的信号输入输出端相连，分别用于对微悬臂梁测试单元3的弹性系数进行标定和采集存储微悬臂梁测试单元3的测试数据，控制水平加载单元2对被测薄膜6施加载荷，控制中空式微位移单元1的移动使显微干涉测试单元5能够在光学图像中选择合适的脱粘区域，并采集显微干涉测试单元5获取的数据。
其中微悬臂梁测试单元3具有测试和标定两种工作模式，在测试工作模式中，可以进行表面形貌和力曲线的测试；在标定工作模式中，可以对微悬臂梁弹性系数进行标定，提高了力曲线实验数据的置信度。
微悬臂梁测试单元3与显微干涉测试单元5采用同轴设置，可以实现微悬臂梁探针压入被测薄膜6时被测薄膜6变形的三维测试，并实现对被测薄膜6脱粘能测量的补偿，提高了脱粘能的测量精度。
如图2所示，所述的信号处理单元4是由计算机控制部分41和下位机控制部分42构成，其中所述的计算机控制部分41包括有计算机411，所述的计算机411通过以太网连接所述显微干涉测试单元5，通过rs232接口连接用于标定微悬臂梁测试单元3弹性系数的超精密电磁补偿天平412，所述的计算机411分别通过usb接口连接用于测量照射在所述微悬臂梁测试单元3上的光斑的ccd图像传感器413、用于观测所述微悬臂梁测试单元3中微悬臂梁探针移动的摄像头414、用于控制水平加载单元2对被测薄膜6施加载荷的高精度电位移控制器415的一侧，以及用于控制中空式微位移单元1的水平移动的中空式微位移单元控制器416的一侧，所述高精度电位移控制器415的另一侧连接水平加载单元2，所述中空式微位移单元控制器416的另一侧连接中空式微位移单元1；所述的下位机控制部分42包括有fpga控制芯片421，所述fpga控制芯片421通过usb接口连接计算机控制部分41中的计算机411，所述fpga控制芯片421的驱动输出端通过步进电机控制器422连接水平加载单元2，所述fpga控制芯片421的信号输入端连接用于检测被测薄膜6水平度的水平仪425，所述fpga控制芯片421的信号输入端还分别通过第一a/d转换模块426和第二a/d转换模块427连接用于采集微悬臂梁测试单元3的悬臂梁弯曲度的信号前处理单元428，所述fpga控制芯片421的信号输出端通过第三a/d转换模块429依次连接高压放大器4210和z向压电陶瓷微位移器4211，所述z向压电陶瓷微位移器4211分别设置在所述被测薄膜6的底部和微悬臂梁测试单元3的上方，用于驱动被测薄膜6和微悬臂梁测试单元3的上下移动。
所述fpga控制芯片421的信号输入端还分别连接用于检测环境温度的温度传感器423和用于检测环境湿度的湿度传感器424。
所述的信号前处理单元428包括有：用于采集所述微悬臂梁测试单元3的弯曲度信号的四象限光电探测器4281，连接成所述四象限光电探测器4281的输出端用于对所采集的弯曲度信号进行转换放大的i/v转换放大器4282，以及分别连接在所述i/v转换放大器4282的输出端用于对转换放大后的输出信号分别进行处理的第一减法器4283和第二减法器4284，所述第一减法器4283的输出端连接所述第一a/d转换模块426的输入端，所述第二减法器4284的输出端连接所述第二a/d转换模块427。
本发明的一种用于透明基底薄膜表界面力学特性测量的实验装置中，所述的中空式微位移单元采用型号为p-733.3cd或p-733.2cd的装置；所述的水平加载单元采用型号为n-216.1a1的装置；所述的微悬臂梁测试单元采用型号为opensys的装置；所述的显微干涉测试单元采用型号为mma的装置；所述的超精密电磁补偿天平采用型号为se2的装置；所述的高精度电位移控制器采用型号为e-712.1am的装置。
本发明一种用于透明基底薄膜表界面力学特性测量的实验装置的实现步骤为：
(1)对微悬臂梁弹性系数标定，具体为将超精密电磁补偿天平转至微悬臂梁测试单元下方，对微悬臂梁测试单元的弹性系数进行标定，由信号处理单元采集、处理并存储弹性系数标定数据。
(2)对显微干涉测试单元采集图像的面积系数标定，具体为将图像标准样板放置于显微干涉测试单元上方，开启显微干涉测试单元对标准图样数据进行采集，由信号处理单元进行数据计算处理，获得面积系数，并存储面积系数标定数据。
(3)对显微干涉测试单元的高度系数标定，具体为将标准台阶放置于显微干涉测试单元上方，开启显微干涉测试单元对标准台阶数据进行采集，由信号处理单元进行数据计算处理，获得高度系数，并存储高度系数标定数据。
(4)将水平加载单元转至微悬臂梁测试单元下方，对已加装完毕的被测薄膜施加载荷，用显微干涉测试单元进行观测被测薄膜的脱粘情况；移动中空式微位移单元，在显微干涉测试单元中选择合适的脱粘区域。
(5)微悬臂梁测试单元进行力曲线测试，分别在选定的脱粘区域和未脱粘区域进行测试，由信号处理单元采集、处理并计算两个区域塑性功之差，得到界面脱粘能；显微干涉测试单元采集变形数据，由信号处理单元采集、处理并对脱粘能进行补偿。
(6)显微干涉测试单元采集脱粘区域的图像数据，由信号处理单元采集、处理并获得脱粘区域面积；最终应用能量学模型计算界面能量释放率。