专利名称:薄膜单轴双向微拉伸装置及薄膜变形的测量方法
技术领域：
本发明属于精密机械领域，特别涉及显微环境下薄膜加载及薄膜变形检 测方法。
背景技术：
目前薄膜材料的检测技术主要有压痕法(indentation)、薄膜弯曲法 (film curving or film bending )、鼓膜法(bulge test)、 微结构法 (microstructure testing)、单轴^立伸法(uniaxial tensile testing) 等。其中单轴拉伸法是测量薄膜弹性模量、泊松比、屈服强度和断裂强 度等力学特性的最直接方法。目前，在基于光学显微镜、电子束扫描显 微镜及原子力扫描显微镜系统主要有以下几种微拉伸装置(1 )基于高 精度应变测量的干涉应变计法结合压电陶瓷单向驱动微拉伸装置；(2 ) 基于双视场显微技术结合压电陶瓷单向驱动微拉伸装置；(3)原子力或 电子束扫描显微环境下单轴单向微拉伸加载装置。
专利申请号200510086228. 8为中国专利申请，公开了一种扫描显微环境 下薄膜拉伸加载装置及薄膜变形测量方法，该装置采用压电陶资单向驱动拉 伸薄膜试样，并可结合双曝光数字散斑技术、图像相关技术等对微尺度薄膜 的变形进行测量分析。
Shar pe等人设计的基于高精度应变测量的干涉应变计法结合压电陶 瓷单向驱动微拉伸装置，采用压电陶瓷进行单向拉伸，空气轴承调整对中度 并减小摩擦，激光干涉测量标记点之间的薄膜变形，力传感器测量载荷，试 样夹持可以采取粘接也可用^争电夹持(Sharpe W N, Turner K T， Edwards R L， Tensile testing of ploysilicon. Experimental Mechanics, 1999， 39(3): 210-216)。
Ogawa等人设计的基于双视场显微技术结合压电陶资单向驱动微拉伸 装置，用压电陶资提供驱动，力传感器测量载荷，另外采用双^L场显^b镜测量 位移，并设计薄片框架调整对中度(0gawa H， Suzuki S， Kaneko S， et al. Tensile testing of microfabricated thin films. Microsystem Technologies, 1997 (3): 117-121)。
Haque等人设计的原子力或电子束扫描显微环境下单轴单向微拉伸加 载装置，避免了加持、对中两个大难题，同时利用对与试样端部连接的薄片 的三点弯曲变形测量来获得薄膜的载荷值，薄膜面内变形由AFM、 SEM通过数
字图{象相关法(DIC)测量(HaqueMA， SaifMTA, In-situ tensile testing of nano-scale specimens in SEM and TEM, Experimental mechanics, 2001, 123-128 )。
干涉应变计法结合压电陶乾单向驱动微拉伸装置的缺点在于，只能得 到激光干涉测量标记点之间的平均薄膜变形信息，而不能得到所感兴趣的局 部微区域的具体变形情况；随着拉伸变形的扩大，标记点会跑到探测区域夕卜。
基于双视场显微技术结合压电陶f;单向驱动微拉伸装置的缺点在于， 只能得到两个显微视场之间试件的平均变形信息，而不能得到所感兴趣的局 部微区域的具体变形情况，只适合研究试件总体平均的力学性能。另外，其 结构及检测设计相对复杂；也存在变形较大条件下观测标记点跑出显微视场 外的问题。
原子力或电子束扫描显微环境下单轴单向微拉伸加载装置的缺点在 于，集成一体化的试件加工和制备相当困难，能够适合这种集成结构及孩i加 工的材料非常有限，应用范围非常局限，另外实验操作难度很大。
压电陶瓷单向驱动拉伸结构最突出的缺点在于，对薄膜试样的拉伸只有 一个方向，试样上的被观测区域在拉伸过程中向一个方向移动，由于高倍显 微扫描能够观察的区域非常小，随着拉伸变形的扩大，需要被观测的会移动 到探测区域外，使测量过程难以连续、定量测量。
发明内容
本发明的目的在于克服压电陶瓷单向驱动结构在测量中试样被观测区移 出探测区的问题，提供一种压电陶资双向驱动装置，保证被观测区在测量过 程中始终处于探测区内(对光学显微镜来说就是视野内)。同时还提供一种 使用本发明装置进行薄膜微变形测量的方法。
本发明的装置，其结构特征如下
该装置含有整体结构左右对称的支架1,固定在支架1上的、相互平行的 四根滑轨2，可调滑块3，滑块4,上面粘贴有应变片5的两个力传感臂6, 两个载物台7,两块压电陶瓷8、两个限位弹簧9;所述的四根滑轨2呈上下 两层排列，每层的两根滑轨2位于同一水平面，可调滑块3套装在前述两层 滑轨2的上层滑轨2上，并可沿滑轨2左右移动，滑块4则套装在两层滑轨2 的下层滑轨2上，也可沿滑轨2左右移动；从水平方向看，装置可以分上下 两层，在上层结构当中，由上层滑轨2提供支撑，可调滑块3与一侧支架壁 10之间有一块压电陶瓷8,该压电陶资8的一个端面与可调滑块3紧密接触， 另一端面与支架壁IO之间通过导座12连接，并与导座12紧密接触，螺旋测 微头13穿过支架壁10、导座12上的导孔11并顶住压电陶瓷IO与导座12接
触的端面；在下层结构当中，在与前述支架壁IO相对的另一侧的支架壁10 和滑块4之间，也有一块压电陶乾8，该压电陶覺8的一个端面与滑块4紧密 接触，另一端面与支架壁IO之间通过连接座14连接，并与连接座14紧密接 触；在与压电陶瓷8相接的可调滑块3的另一侧面，有一个水平伸出的一端 顶在可调滑块3上、另一端通过连接到支架壁IO上的弹簧座15的限位弹簧9; 在与压电陶乾8相接触的滑块4的另一侧面，也有一个水平伸出的一端顶在 滑块4上、另一端通过与支架壁IO相接的弹簧座15的限位弹簧9;所述的导 座12、连接座14与支架壁IO相固接，弹簧座15与支架壁IO通过螺紋连接； 两个力传感臂6左右对称，处于同一平面上，分别与可调滑块3及滑块4相 固接并水平伸出；两载物台7分别连接到左、右两个力传感臂6伸出端的头 部凹座sl中，并相向水平伸出且端部之间有一定间距，载物台7—端是万向 球16,另 一端是载物板s2万向球16可通过与力传感臂6相连接的锁死结构 17固定；压电陶瓷8与驱动控制系统相连接，应变片5组成合适桥路与应变 测量系统连4妄。
所述的力传感臂6,在其与可调滑块3或滑块4的连接端及与载物台7的 凹座sl之间，沿力传感臂6的纵向方向有两处位置开有关于纵轴线对称的圆 孔状的槽s3。槽s3的目的主要是增加拉伸应力产生的变形度，从而使应变片 5能更好的感应应变情况，增加测量精度。
槽s3的直径大小直接影响测量精度，直径越大，槽壁就越薄，当产生一 定力的时候，力传感臂6的变形就越大，测量精度就可以越高。在本发明的 装置中，为了能够适用于不同薄膜试件检测，设计两套具有不同量程的左、 右力传感臂6，力传感臂6上槽s3的直径不同，用于大量程测量的小直径者 粘贴的应变片5是金属应变片，用于微力测量的大直径者粘贴的应变片5是 半导体应变片。
相信本领域技术人员可以理解的是，只要保证可以让应变传感器可以感 应到变形，槽s3的形状和尺寸可以变化，如哑铃形。
四根滑轨2横截面的中心点构成一矩形，这种结构采用对称设计，相信 本领域技术人员可以理解的是，四根滑轨2的排列方式可以有多种情况，只 要最终保证左右两个载物台7的载物板s2处于同 一水平面即可。
为了能更好地测量，支架1上可以含有三个高度调节旋钮18。通过调节 三个高度调节旋钮18,能够装置总体处于水平。
所述的锁死结构17是一个位于力传感臂6前端并压住一端连有万向球16 的载物台7的盖板19，盖板19压在万向球16上， 一端和力传感臂6通过销 钉20连接，另一端通过螺栓21与力传感臂6固定。
支架1可以为U型，在两支架壁IO之间有用于保证支架1刚度的支撑杆
22。
利用本发明的薄膜单轴双向微拉伸装置进行测量的方法包括如下步骤
1)选择具有合适量程的力传感臂6安装到拉伸装置上，置于高倍光 学或原子力显微镜系统下，调节好左、右载物台7的初始间距并使其处 于同一水平面内，且拉伸方向与载物台7轴线重合，然后将薄膜试件调 节到其轴线与左、右载物台7拉伸轴线重合并固定，连接好压电陶瓷8 驱动系统、显微图像实时采集系统、应变片5的电桥应变测量系统。
2 )通过压电陶资8的驱动系统对压电陶f; 8施加电压，实现对薄膜试 件进行连续加载，同时通过显微图像实时采集系统记录薄膜检测区域的序列 变形图像，并记录在加载过程中的应变片5的输出。
3)对得到的序列显微图像进行处理，提取薄膜材料表面的显微结构 特征信息以用于分析这些表面微观结构特征的演化规律，同时对应变片5 的应变输出进行处理，得到薄膜材料加载过程中的有关力学特征及参数。
本发明的薄膜单轴双向微拉伸装置，在使用时，将薄膜的两端通过粘贴 等手段分别夹持在左右两个载物台7的载物板s2上，同时对两个压电陶资8 施加电压，使压电陶覺8收缩，带动可调滑块3和滑块4向相反方向运动， 从而在薄膜上产生拉伸力，拉伸力导致力传感臂变形，通过力传感臂上的应 变传感器将采集变形量并经转换后传递给应变测量系统测得所需的参^L
这样，在拉伸的过程中，被观察区域可以一直处于高倍显微系统微小的 扫描观察区域内，使测量过程能够实现连续、定量测量。
由于两个力传感臂6上的槽宽度可以不同，构成两套不同量程的力传感 结构，可以同时在测量过程中通过两套不同量程的力传感结构进行测量，加 大测量范围，适合不同性质、尺寸范围的薄膜材料的检测。
图1:本发明中薄膜单轴双向微拉伸装置的整体俯视图； 图2:本发明中薄膜单轴双向微拉伸装置的实物照片； 图3:本发明中薄膜单轴双向微拉伸装置的A-A剖面图； 图4:本发明中薄膜单轴双向微拉伸装置的B-B剖面图； 图5:力传感臂6的主视(a)、侧视(b)、俯视(c)图； 图6:载物台7的示意图；
图7:载物台7与力传感臂6的安装及锁定实体示意图；
图8: U形支架1的左视(al )、俯视(bl )、右视图(cl )
图9:大量程普通应变桥路力传感臂6标定方法示意图；
图10、 11:大量程普通应变桥路力传感臂6标定的栽荷-应变曲线；
图12:已有压电陶瓷驱动力传感器示意图
图13:已有压电陶瓷驱动力传感器载荷一电压输出关系；
图14:离面电子散斑(ESPI)标定鴒丝悬臂梁的示意图；
图15:离面电子散斑(ESPI)标定小量程力传感臂6的示意图；
图16、 17:小量程半导体应变片桥路力传感臂6标定的载荷-应变曲线；
图18:薄膜拉伸应力一应变曲线及力学特征量示意图；
图19:多晶铝薄膜试件的应变-应力曲线；
图20:拉伸薄膜表面微形貌演化图，(a)应变率3。/。， (b)应变率6。/o; 图21:裂紋的出现和沿晶扩展，(a)裂紋出现在多晶铝薄膜试件边缘，(b) 裂紋沿晶界扩展；
具体实施方式
下面结合具体实施方式
对本发明的内容和可实现性做进一步说明。 为清楚起见，将附图标记说明如下l-支架，2-滑轨，3-可调滑块，4-滑块，5-应变片，6-力传感臂，7-载物台，8-压电陶瓷，9-限位弹簧，10-支 架壁，l卜导孔，12-导座，13-螺旋测微头，14-连接座，15-弹簧座，16-万 向球，sl-力传感臂伸出端的头部凹座，s2-载物台的载物板，17-锁死结构， 18-高度调节旋钮，s3-槽，19-盖板，20-销钉，21-螺栓，22-支撑杆。
请见图1-7,在实施例中，拉伸装置包含整体结构左右对称的U型支架1, 固定在支架l上的、相互平行的四根滑轨2，可调滑块3，滑块4,上面粘贴 有应变片5的两个力传感臂6，两个载物台7，两块压电陶瓷8、两个限位弹 簧9。
其中四根滑轨2呈上下两层排列，每层的两根滑轨2位于同一水平面， 四根滑轨2横截面的中心点可构成一矩形；可调滑块3套装在前述两层滑轨2 的上层滑轨2上，并可沿滑轨2左右移动，滑块4则套装在两层滑轨2的下 层滑轨2上，也可沿滑轨2左右移动(同样可调滑块3也可采另一种更优的 结构设计，这种结构是将可调滑块3同时套装在前述两层滑轨2上，并可沿 滑轨2左右移动，这种结构的可调滑块3在滑动过程中更加稳定)。
从水平方向看，装置可以分上下两层，在上层结构当中，由上层滑轨2 提供支撑，可调滑块3与一侧支架壁10之间有一块压电陶资8，该压电陶覺 8的一个端面卧在可调滑块3的凹座中并与可调滑块3紧密接触，另一端面与 支架壁10之间通过导座12连接，导座上有一个凹入部分以固定压电陶乾8 并使之与导座12凹座内的座面紧密接触，螺旋测微头13穿过支架壁10、导 座12上的导孔11并顶住压电陶瓷8与导座12接触的端面；在与压电陶乾8 相接的可调滑块3的另一侧面，有一个水平伸出的一端顶在可调滑块3的凹座中、另一端通过连"^妻到支架壁IO上的弹簧座15的限位弹簧9，弹簧座15 与支架壁IO之间通过螺紋连接，并可根据需要旋动，以调节弹簧的张力。
从俯视图上看，下层结构基本上是上层结构的镜像，不同之处在于下层 结构不含螺旋测微头13及相关结构。在下层结构当中，在与前段描述述的上 层结构的支架壁IO相对的另一侧的支架壁10和滑块4之间，也有一块压电 陶瓷8，该压电陶瓷8的一个端面在滑块4的凹座内并与滑块4紧密"^姿触，另 一端面与支架壁IO之间通过连接座14连接，并与连接座14紧密接触；在与 压电陶瓷8相接触的滑块4的另 一侧面，也有一个水平伸出的一端顶在滑块4 上、另一端通过与支架壁IO相接的弹簧顶座15的跟位弹簧9，弹簧座15与 支架壁IO之间通过螺紋连接，并可根据需要旋动，以调节弹簧的张力。
所述的导座12、连接座14与支架壁10相固接，弹簧顶座15与支架壁 IO通过螺紋连接；两个力传感臂6左右对称，处于同一平面上，分别与可调 滑块3及滑块4通过螺^T固接，并沿与连接面垂直的方向水平伸出；两个万 向球16分别位于左、右两个力传感臂6伸出端头部的凹座sl中， 一端与万向 球16固定连接的两载物台7的另一端是载物板s2，两载物板s2相向水平伸 出且端部之间有一定间距，万向球16可通过与力传感臂6相连接的锁死结构 17固定，所述的锁死结构17是一个位于力传感臂6前端并压住一端连有万向 球16的载物台7的盖板19,盖板19压在万向球16上， 一端和力传感臂6通 过销钉20连接，另一端通过螺栓21与力传感臂6固定。在使用时，先打开 盖板19,调整万向球16，使两个载物板s2的中轴位于同一直线上，然后，盖 上盖板19,拧紧螺钉21,固定万向球16。
压电陶瓷8与驱动控制系统相连接，驱动控制系统可根据需要向压电陶 瓷8加载不同电压，使压电陶资8产生不同的张力，推动可调滑块3和滑块4 向相反方向运动，带动左、右两个力传感臂6运动。应变片5组成合适的应 变测量桥路与应变测量系统连接。
所述的力传感臂6,在其与可调滑块3或滑块4的连接端及与载物台7的 凹座sl之间，沿力传感臂6的纵向方向有两处位置开有关于纵轴线对称的圆 孔状的槽s3，槽s3两端开孔，使槽s3呈弯臂哑铃型。槽s3的目的主要是增 加拉伸应力产生的变形度，从而使应变片5能更好的感应应变情况，增加测 量精度。
槽s3的直径大小直接影响测量精度，直径越大，槽壁就越薄，当产生一 定力的时候，力传感臂6的变形就越大，测量精度就可以越高。在本实施例 中，为了能够适用于不同薄膜试件检测，设计两套具有不同量程的左、右力 传感臂6，两套力传感臂6上槽s3的直径不同，用于大量程测量的小直径者 粘贴的应变片5是金属应变片，用于微力测量的大直径者粘贴的应变片5为
半导体应变片。
支架1上含有三个高度调节旋钮18，通过调节三个高度调节旋钮18，能 够装置总体处于水平。在两支架壁10之间有用于保证支架1刚度的支撑杆22。
在本装置工作之前，先将力传感组合进行标定。在普通应变片制成的双 梁结构大量程力传感器的标定过程中，将传感结构固定端固定在竖直壁面上， 在安装载物台的方向用普通砝码进行加载(如图9所示)，并釆用全桥应变 桥路进行应变输出，从而得到大量程双梁传感结构的标定出来的应变一载荷 关系(如图10、图11)。
标定半导体应变片桥路输出的小量程微力传感组合的过程相对复杂，标 定过程中需要结合《实验固体技术》(清华大学出版社2005年出版)中介绍 的离面电子散斑干涉技术(ESPI)。首先，采用离面电子散斑技术(ESPI) 并结合已有的压电陶瓷驱动的力传感器应用于钨丝悬臂梁的挠度一载荷关系 的标定。已有的压电陶瓷驱动力传感器(见图12)主要由压电陶瓷位移驱动 器和定位机构组成。加载头能够在三维方向上调整，保证能够进行精确的定 位调整，准确的在加载点上加载。压电陶瓷管放置在一个平台上， 一端与平 台固定，另一端与放置在精密导轨上的滑块紧密接触，滑块前方利用压缩后 的弹簧与平台相连。压电陶瓷的伸长由一个直流电源控制，才艮据具体的实验 要求进行单步地加载和卸载或者连续地稳定地加载和卸载，可以实现非常稳 定的微小步长加载；此已有压电陶瓷驱动的力传感器的载荷一电压关系已知 (如图13)。将已有压电陶瓷驱动的力传感器的刀口垂直于鴒丝悬臂梁自由 端进行加载(如图14,图中，A: He-Ne激光器；Bl:分光镜；B2:半透半反 镜；C:已有压电陶瓷驱动力传感器；D:钨丝悬臂梁；E: CCD; F:计算机图 像采集系统；Ll:扩束镜；L2:成像透镜；M:反射镜)，压电陶资驱动的力 传感器可以实时输出电压信号，对应上述力传感器的载荷一电压关系也即得 到了加载到钨丝悬臂梁端部的力的大小；同时采用离面散斑干涉技术得到加 载过程中悬臂梁的离面干涉条紋信息，进而根据干涉条紋级数与离面位移的 关系就得到了悬臂梁自由端部的挠度。这样就得到钨丝悬臂梁的挠度一载荷 关系，进而可以用于半导体应变片制成的双梁结构小量程力传感器的标定。 其次，将已标定出挠度一载荷关系的鴒丝悬臂梁用于半导体应变片制成的双 梁结构小量程力传感器的标定。用鴒丝悬臂梁在沿载物台轴线方向上(即薄 膜拉伸方向)对双梁结构力传感器进行加载(如图15，图中，A: He-Ne激光 器；Bl:分光镜；B2:半透半反镜；D:鴒丝悬臂梁；Dl:小量程力传感结构； E: CCD; F:计算机图像采集系统；G:微平移台；Ll:扩束镜；L2:成像透 镜；M:反射镜)，通过鹤丝悬臂梁的离面干涉条紋信息可知相应的挠度大小，
并结合上述标定出的鸽丝悬臂梁的挠度一载荷关系，可以知道加载力的大小； 另外，通过双梁传感器的全桥(或)半桥应变电路应变输出可知相应的应变 大小，从而可以得到半导体应变片制成的双梁结构小量程力传感器的应变-载 荷标定关系(图16、图17)。
下面通过应用本发明的装置在光学显微系统下多晶铝薄膜单轴双向微 加载的表面微结构演化连续检测的过程，来具体介绍测量方法。
本实施例所使用的薄膜试样取自轧制薄板多晶硬铝(商业牌号 LY12CZ，平均晶粒尺寸40微米)上截取出的多晶硬铝薄片，在进行单轴 双向微拉伸实验之前，将拉伸薄膜制备成合适的形状、尺寸，然后采用 金刚石研磨膏将试件抛光，并采用电化学阳极氧化除去表面残余变形， 并除去表面氧化层，最后经化学蚀刻产生表面晶粒结构。制备好的薄膜 试件，l号试件的长、宽、厚分别为1500微米、166微米、135微米；2 号试件的长、宽、厚分别为1500微米、187微米、84微米。
具体测量步骤如下
1)选择具有合适量程的力传感臂6安装到拉伸装置上，置于高倍光 学显微镜系统下，调节好左、右载物台7的初始间距并使其处于同一水 平面内，且拉伸方向与载物台7轴线重合，然后将薄膜试件调节到其轴 线与左、右载物台7拉伸轴线重合并用锁死结构17固定，连接好压电陶 瓷8驱动系统、显微图像实时采集系统、应变片5的电桥应变测量系统。
2 )通过压电陶瓷8的驱动系统对压电陶瓷8施加电压，实现对薄膜试 件进行连续加载，同时通过显微图像实时采集系统记录薄膜检测区域的序列 变形图像，并记录加载过程中的应变桥路的输出。
3)对得到的序列显微图像进行处理，提取薄膜材料表面的显微结构 特征信息以用于分析这些表面微观结构特征的演化规律，同时对力传感 结构的应变输出进行处理，得到薄膜材料加载过程中的有关力学特征及参数。
由于不同薄膜具有不同的薄膜表面的显微结构特征信息，而且同一 薄膜在不同外载条件下其表面特征信息将会发生相对变化，比如对于多 晶体金属薄膜，其表面特征信息包括晶界形状和宽度，晶粒形状及晶粒 内部空洞和夹杂缺陷等特征，还有相邻晶粒间的拓朴分布等特征；另外 在加载过程中，这些表面的微结构信息将会发生相应的变化，晶界区域 会变宽甚至出现裂紋，晶粒内部可能会出现滑移带等，晶粒之间会发生 相对转动，晶粒交叉点处晶界之间的夹角会有所变化；另外，对于其他 的薄膜材料，其表面特征会不同，比如有些薄膜材料表面可能呈微小颗 粒状的形貌，这些微形貌信息正好可以用于数字散斑相关计算，从而可
以得到薄膜表面的变形场。显微系统的实时图像釆集的是表面微结构、
微形貌等信息，并以灰度强度图像的方式显示出来；当薄膜表面变形或 运动较小时，这些以灰度表示的图像可以完全表征薄膜材料微区域的表 面微结构特征的运动和变形，于是薄膜表面微结构的特征变形、演化的 问题就转换成对获得的灰度图像进行相应图像处理问题。
在对薄膜试件进行单轴双向拉伸过程中，通过双梁传感结构的应变
桥路输出可以得到相应的应变信息，结合我们对双梁传感结构标定出来 的应变一载荷关系就可以知道薄膜所受拉力的大小，并考虑薄膜试件的 尺寸就可以得到对应的应力大小；另外，在整个拉伸过程中，通过图像 采集系统得到序列图像，通过测量选取的特征标记点之间距离在拉伸变 形过程中的相对伸长变化就可以计算出薄膜试件在不同载荷下的应变大 小；这样就可以得到薄膜试件在拉伸过程中的应力一应变曲线，进而结 合相关力学知识就可以找出薄膜试件的屈服应力、极限应力等力学特征 参量(如图18)。
在实验过程中，通过控制压电陶瓷驱动力传感结构和载物台对薄膜 试件进行加载，1号试件在加载过程中的应力-应变曲线(图19)表明， 薄膜试件在断裂前体现为经典的弹塑性变形行为。其中试件表面在不同 应变率条件下的局部微结构形貌图像(图20)表明，在晶粒尺度发生了 非均匀的变形，在加载过程中变形局部化，并且出现一些滑移线，有些 晶粒沿拉伸轴向被拉长。2号试件在拉伸过程中首先在薄膜边界处产生 裂紋，后来裂紋沿着晶界迅速扩展直至试件断裂(图21)。在整个测量 过程中，被观察区域可以一直处于高倍显微系统微小的扫描观察区域内，因 此测量过程是连续的，免除了测量过程中断所带来的测量误差。
权利要求
1. 一种薄膜单轴双向微拉伸装置，其特征在于该装置含有整体结构左右对称的支架(1)，固定在支架(1)上的、相互平行的四根滑轨(2)，可调滑块(3)，滑块(4)，上面粘贴有应变片(5)的两个力传感臂(6)，两个载物台(7)，两块压电陶瓷(8)、两个限位弹簧(9)；所述的四根滑轨(2)呈上下两层排列，每层的两根滑轨(2)位于同一水平面，可调滑块(3)套装在前述两层滑轨(2)的上层滑轨(2)上，并可沿滑轨(2)左右移动，滑块(4)则套装在两层滑轨(2)的下层滑轨(2)上，也可沿滑轨(2)左右移动；从水平方向看，装置可以分上下两层，在上层结构当中，由上层滑轨(2)提供支撑，可调滑块(3)与一侧支架壁(10)之间有一块压电陶瓷(8)，该压电陶瓷(8)的一个端面与可调滑块(3)紧密接触，另一端面与支架壁(10)之间通过导座(12)连接，并与导座(12)紧密接触，螺旋测微头(13)穿过支架壁(10)、导座(12)上的导孔(11)并顶住压电陶瓷(8)与导座(12)接触的端面；在下层结构当中，在与前述支架壁(10)相对的另一侧的支架壁(10)和滑块(4)之间，也有一块压电陶瓷(8)，该压电陶瓷(8)的一个端面与滑块(4)紧密接触，另一端面与支架壁(10)之间通过连接座(14)连接，并与连接座(14)紧密接触；在与压电陶瓷(8)相接的可调滑块(3)的另一侧面，有一个水平伸出的一端顶在可调滑块(3)上、另一端通过连接到支架壁(10)上的弹簧座(15)的限位弹簧(9)；在与压电陶瓷(8)相接触的滑块(4)的另一侧面，也有一个水平伸出的一端顶在滑块(4)上、另一端通过与支架壁(10)相接的弹簧座(15)的限位弹簧(9)；所述的导座(12)、连接座(14)与支架壁(10)相固接，弹簧座(15)与支架壁(10)通过螺纹连接；两个力传感臂(6)左右对称，处于同一平面上，分别与可调滑块(3)及滑块(4)相固接并水平伸出；两载物台(7)分别连接到左、右两个力传感臂(6)伸出端的头部凹座(s1)中，并相对水平伸出且端部之间有一定间距，载物台(7)一端是万向球(16)，另一端是载物板(s2)，万向球(16)可通过与力传感臂(6)相连接的锁死结构(17)固定；压电陶瓷(8)与驱动控制系统相连接，应变片(5)组成合适桥路与应变测量系统连接。
2. 根据权利要求
1所述的薄膜单轴双向纟敬拉伸装置，其特征在于所述 的力传感臂(6),在其与可调滑块(3)或滑块(4)的连接端及与载物台(7)的凹座(sl)之间，沿力传感臂(6)的纵向方向有两处位置开有关 于纵轴线对称的圆孔状的槽(s3 )。
3. 根据权利要求
2所述的薄膜单轴双向微拉伸装置，其特征在于左右 两个力传感臂(6)是用于大量程测量的力传感臂(6)或用于小量程微力 测量的力传感臂(6)，用于大量程力测量的力传感臂(6)的槽(s3)的直 径较小，用于大量程力测量的力传感臂(6)上粘贴的应变片(5)是金属 应变片，用于小量程微力测量的力传感臂(6)上粘贴的应变片(5)是半 导体应变片。
4. 根据权利要求
3所述的薄膜单轴双向微拉伸装置，其特征在于四根 滑轨(2)的横截面的中心点构成一矩形。
5. 根据权利要求
4所述的薄膜单轴双向微拉伸装置，其特征在于所述 的支架(1 )上含有三个能使装置总体处于水平的高度调节旋钮(18)。
6. 根据权利要求
5所述的装置，其特征在于所述的锁死结构(17)是 一个位于力传感臂(6)前端并压住载物台(7)的连有万向球(16) —端 的盖板(19 )，盖板(19 )压在万向球(16 )上， 一端和力传感臂(6 )通 过销钉(20)连接，另一端通过螺栓(21)与力传感臂(6)固定。
7. 根据权利要求
6所述的薄膜单轴双向微拉伸装置，其特征在于支架 (1)呈U型，在两支架壁(10)之间有用于保证支架(1)刚度的支撑杆 (22)。
8. —种利用如权利要求
1或3所述装置测量薄膜变形的方法，其特征在 于该方法按如下步骤进行1) 选择具有合适量程的力传感臂(6)安装到拉伸装置上，置于高倍 光学或原子力显微镜系统下，调节好左、右载物台(7)的初始间距并使 其处于同一水平面内，且拉伸方向与载物台(7)轴线重合，然后将薄膜 试件调节到其轴线与左、右载物台(7)拉伸轴线重合并固定，连接好压 电陶瓷(8)的驱动系统、显微图像实时釆集系统、应变片(5)的电桥应 变测量系统。2) 通过压电陶瓷(8)的驱动系统对压电陶资(8)施加电压，实现对 薄膜试件进行连续加载，同时通过显微图像实时采集系统记录薄膜检测区域 的序列变形图l象，并记录在加载过程中的应变片(5)的输出。3) 对得到的序列显微图像进行处理，提取薄膜材料表面的显微结构 特征信息以用于分析这些表面微观结构特征的演化规律，同时对应变片(5 )的应变输出进行处理，得到薄膜材料加载过程中的有关力学特征及参数。
专利摘要
一种薄膜单轴双向微拉伸装置及薄膜变形的测量方法，属于精密机械领域。该装置利用两个压电陶瓷8分别从两个方向推动可沿滑轨2移动的滑块4与可调滑块3，滑块4及可调滑块3与支架1之间通过限位弹簧9进行限位，滑块4及可调滑块3上固接有的力传感臂6，力传感臂6顶端接载物台，在测量时，首先将待测的薄膜试件夹在载物台上，然后对压电陶瓷8连续施加电压，使两个力传感臂6向相反方向发生微位移，同时通过图像实时采集系统和附在力传感臂6上的应变片5记录薄膜变形图像和力学参数。使用该装置和测量方法能够在测量过程中连续观察测量区，并可通过不同量程的力传感臂进行较宽范围的测量。
文档编号G01Q10/00GKCN101109680SQ200710120711
公开日2008年1月23日 申请日期2007年8月24日
发明者吴文旺, 李喜德, 章玮宝, 蔺书田 申请人:清华大学导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan