专利名称：带基底微纳米薄膜的温度场模拟装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及纳米材料力热性能研究、MEMS微纳米薄膜元器件实验及测试领域，具 体讲涉及带基底微纳米薄膜的温度场模拟装置。
背景技术：
纳米科技是从20世纪80年代末90年代初开始发展起来的新兴科学，从此引起了 国内外的高度重视，特别是在纳米材料方面取得了重要进展。纳米科技的重要意义首先将 促使人类认知的革命，同时将引发新的工业革命，从而对我国的社会、经济及国家安全产生
重大影响。纳米薄膜是指在空间只有一维处于纳米尺度而另两维不是纳米尺度的物质，是由 分子或晶粒均勻铺开构成薄膜，可以是超薄膜、多层膜和超晶格等。纳米薄膜根据它的构成 和致密程度又可分为颗粒膜和致密膜。纳米薄膜可以是金属、半导体、绝缘体、有机高分子 材料，其性能包括力、热、光、磁等方面。纳米材料的设计开发及其性能研究是高技术发展的基础，力学、热学性能是评价 纳米材料的主要指标，也是进行纳米机构设计与计算的主要依据。近年来，随着材料的合成 和制造工艺的提高，其特征尺寸越来越小。现代科技及研究方向逐渐迈向轻、小、薄的技术 装置，它们在衍射栅、绝缘介质覆膜以及电子封装中得到广泛应用。薄膜技术得到越来越多 的应用，但是传统的测量装置通常不能测量薄膜的一些力学、热学参量。MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems，即微机电系统)是一种全新的必须 同时考虑多种物理场混合作用的研发领域，相对于传统的机械，它们的尺寸更小，最大不超 过一个厘米，甚至仅仅为几个微米，其厚度更加微小。随着薄膜/基底系统在MEMS及微电 子技术中的广泛应用，其力学、热学性能所受关注日益增多，很多学者在这方面做了大量工 作，但仍有很多问题尚未解决。MEMS生产过程中，由于热学与力学参量的失配，薄膜在各种成型工艺过程中的加 热冷却，引起了残余热应力；集成电路(IC)与集成系统(IS)在使用过程中的发热引起的热 应力和交变热循环引起了热疲劳，以及使用过程中引起的性能退化和老化，都是导致IC和 IS失效的重要原因。因此，薄膜/基底结构的力热性能研究对MEMS的发展具有非常重要的 意义。为了对MEMS薄膜元器件进行更好的实验研究，有必要设计一种科学实用的温度场加 载方法来对纳米薄膜的力学、热血性能进行研究。薄膜/基底二元系统是MEMS元器件的主要结构，屈曲是其破坏失效的主要形式之 一，其破坏和界面粘附强度、初始缺陷、残余应力分布等形式存在很大关系。热应力对薄膜 的屈曲有很大的影响。随着温度的不同、残余应力的存在以及加载方式的不同，屈曲的形式 会产生很多有趣的形态。应用原子力显微镜(AFM)观测薄膜屈曲是研究的趋势，国外高水平的论文大多是 应用原子力显微镜对薄膜的屈曲进行分析研究。应用AFM观测薄膜的屈曲形貌，对于加载 装置的性能要求很高，即在不同的外部载荷下视场面内的整体位移必须控制在AFM针尖的调整范围之内，实现受载荷试件的原位观测。同时，应用光学显微镜观测薄膜屈曲，也是必不可少的实验手段。由于显微镜在高 倍数工作时，其视场范围有限，这对试件加载装置的要求也很高。这就要求在不同的外力作 用下，原视场的观察位置仍然保留在视场内，不会因为载荷的变化而偏离视场。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明目的在于提供一种带基底微纳米薄膜的温度场模 拟装置，科学合理的模拟MEMS薄膜元器件在工作环境下的温度场，并且提供对薄膜/基底 结构试件进行加热的新方法。为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下带基底微纳 米薄膜的温度场模拟装置包括夹具、导热胶、作为加热源的箔式电阻、用于测量试件温度 的热电偶和根据热电偶输出控制箔式电阻的温度控制器，试件前后两面及下面设置为加热 面，左右两面设置为夹具夹持面，顶面为镀膜面，夹具材质为金属，箔式电阻构成电热片，导 热胶涂布在电热片上，试件前后两面及下面通过导热胶粘在电热片上。电热片选取导热性能较好的金属材料。试件尽量紧贴电热片，导热胶必须涂抹均勻，防止导热不均。本法发明具有以下技术效果箔式电阻具有加热性能好，加热速度快，便于安装，安装方式多样等特点。选取试 件非镀膜面进行加热。放弃镀膜面加热方式，可以保持薄膜表面的完整和便于显微镜的观 察；放弃两个对称加载面得加热，成功解决了与力场的耦合实验问题，不会因为夹具与试件 的接触而影响加热效果；三面加热的方式可保证薄膜表面观察区域的温度均勻分布。温度控制器和热电偶用于控制和测量试件温度，可以有效模拟恒温场和循环温度 场，以及合理控制温度值。使用导热胶将试件和加热片粘接在一起。导热胶具有一定的粘性，消除了因试件 的变形而引起的试件与电热片之间传热不均的问题。同时，导热胶不会固化，便于实验后的 清理及电热片的重复使用。
图1本发明在沉积在有机玻璃基底上的铝薄膜试件进行试验效果示意图。图2本发明结构俯视图。图中，①试件。顶面镀膜。②箔式电阻与试件间涂有导热胶。图3本发明结构正视图。图中，①试件。顶面镀膜。②箔式电阻与试件间涂有导热胶。图4本发明结构侧视图。图中，①试件。顶面镀膜。②箔式电阻与试件间涂有导热胶。图5本发明热载荷控制系统电路图.
具体实施例方式由于纳米薄膜自身的强度很小，所以通常都是沉积在其他材料制作的基底上以保持其结构。因此该温度模拟方法适用于对薄膜/基底结构试件进行加热。对薄膜/基底结 构进行温度场模拟时必须解决以下几点技术问题保持试件表面薄膜的完整性。实验过程中，不能因为加热装置的不合理设计而划 伤薄膜，破坏其结构。薄膜的损坏不利于进一步的实验研究，对试验结果有着不可忽视的影 响。保持温度的均勻性。为了研究薄膜的屈曲破坏随温度变化的影响，要求薄膜表面 温度分布必须均勻，以减小温度梯度对薄膜屈曲形貌的影响。保持温度值的合理性。由于MEMS元器件的工作环境及其自身发热等因素，薄膜的 温度具有一定范围。所以合理控制温度值，使温度分布符合MEMS元器件的工作环境十分必 要。恒温场的模拟。为了模拟MEMS恒温的工作环境，从而对薄膜的屈曲进行研究，需 要控制温度数值的稳定性，即温度不能随时间发生大的波动。循环温度场的模拟。温度数值的升降变化，是研究薄膜/基底结构热疲劳的必要 实验条件。便于显微镜观察。薄膜的屈曲破坏必须借助显微镜才能进行观察，所以加热元件 不能覆盖在薄膜表面，以免妨碍实验过程。可进行力热耦合实验。薄膜/基底二元结构工作的时候除了受到热载荷的影响 夕卜，还要受压应力的作用。因此需考虑实验时温度场与力场的耦合问题。保持薄膜/基底二元系统的基本结构不被破坏。薄膜/基底试件实验研究的主要 结构参数和材料参数的改变均会对薄膜的性能产生影响。所以不能因为加热元件的安装而 改变试件的基本结构。为了解决以上技术问题，科学合理的进行温度场的实验模拟，我们采用以下解决方案。箔式电阻的使用。箔式电阻具有加热性能好，加热速度快，便于安装，安装方式多 样等特点。选取试件非镀膜面进行加热，放弃镀膜面加热方式可以保持薄膜表面的完整和 便于显微镜的观察；放弃两个对称加载面得加热，成功解决了与力场的耦合实验问题，不会 因为夹具与试件的接触而影响加热效果；底面单面加热的方式可以使温度在试件轴向具有 一定的梯度，在试件横向均勻分布；三面加热的方式可保证薄膜表面观察区域的温度均勻 分布。温度控制器和热电偶的选取。用于控制和测量试件温度。可以有效模拟恒温场和 循环温度场，以及合理控制温度值。导热胶的使用。试件并不是直接固定在电热片上，而是使用导热胶将试件和加热 片粘接在一起。导热胶具有一定的粘性，消除了因试件的变形而引起的试件与电热片之间 传热不均的问题。同时，导热胶不会固化，有利于实验后的清理及电热片的重复使用。本方案的有益效果以沉积在有机玻璃基底上的铝薄膜试件为例，说明其有益效果。试件尺寸长 1 Imm,宽 9mm，高 2mm。
如图1所示。前后两面及地面为加热面，左右两面为夹具夹持面，顶面对镀膜面。深色表示相对高温，浅色表示相对低温。夹具材质为金属，由于热传导作用，夹持面温度较 低。镀膜面中间区域为实验观察区域。可以看到，实验区域温度分布均勻，达到理想效果。 经测量，电热片温度为40°C，实验区温度值为38. 5°C且均勻分布。施加轴向对称压力后，试 件产生变形。但温度分布没有发生变化，说明电热片与试件之间传热良好。最佳实施方式该温度场模拟方法操作流程如下连接温度控制电路。在电热片内壁涂抹导热胶。在电热片中安装试件。安装热电偶。接通并设置温度控制器。接通加热电路。为了保证温度场的模拟效果，需注意以下事项电热片选取导热性能较好的金属材料。试件尽量紧贴导热片，导热胶必须涂抹均勻，防止导热不均。可提高温度控制器技术指标，以提高控制精度。根据需要合理安装热电偶。温度控制器及热电偶选用已有产品，具体规格和精度根据实际需求确定。箔式热电阻可选用电热膜等产品，也可选用适当材料自行制作。具有加热速度 快，安装方式多样加热均勻，便于安装等特点。
权利要求
一种带基底微纳米薄膜的温度场模拟装置，包括夹具、导热胶、作为加热源的箔式电阻、用于测量试件温度的热电偶和根据热电偶输出控制箔式电阻的温度控制器，试件前后两面及下面设置为加热面，左右两面设置为夹具夹持面，顶面为镀膜面，夹具材质为金属，箔式电阻构成电热片，导热胶涂布在电热片上，试件前后两面及下面通过导热胶粘在电热片上。
2.根据权利要求1所述的一种带基底微纳米薄膜的温度场模拟装置，其特征是，电热片选取导热性能较好的金属材料。
3.根据权利要求1所述的一种带基底微纳米薄膜的温度场模拟装置，其特征是，试件尽量紧贴电热片，导热胶必须涂抹均勻，防止导热不均。
全文摘要
本发明涉及纳米材料力热性能研究、MEMS微纳米薄膜元器件实验及测试领域，具体讲涉及带基底微纳米薄膜的温度场模拟装置。为科学合理的模拟MEMS薄膜元器件在工作环境下的温度场，提供对薄膜基底结构试件进行加热的新方法，本发明采用的技术方案是，带基底微纳米薄膜的温度场模拟装置，包括夹具、导热胶、作为加热源的箔式电阻、用于测量试件温度的热电偶和根据热电偶输出控制箔式电阻的温度控制器，试件前后两面及下面设置为加热面，左右两面设置为夹具夹持面，顶面为镀膜面，夹具材质为金属，箔式电阻构成电热片，导热胶涂布在电热片上，试件前后两面及下面通过导热胶粘在电热片上。本发明主要应用于纳米材料力热性能研究。
文档编号H05B3/20GK101799384SQ20101010291
公开日2010年8月11日 申请日期2010年1月29日 优先权日2010年1月29日
发明者李林安, 王世斌, 王志勇, 贾海坤 申请人:天津大学