帶基底微納米薄膜的溫度場模擬裝置的製作方法

2023-05-24 23:23:51

專利名稱：帶基底微納米薄膜的溫度場模擬裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及納米材料力熱性能研究、MEMS微納米薄膜元器件實驗及測試領域，具 體講涉及帶基底微納米薄膜的溫度場模擬裝置。
背景技術：
納米科技是從20世紀80年代末90年代初開始發展起來的新興科學，從此引起了 國內外的高度重視，特別是在納米材料方面取得了重要進展。納米科技的重要意義首先將 促使人類認知的革命，同時將引發新的工業革命，從而對我國的社會、經濟及國家安全產生
重大影響。納米薄膜是指在空間只有一維處於納米尺度而另兩維不是納米尺度的物質，是由 分子或晶粒均勻鋪開構成薄膜，可以是超薄膜、多層膜和超晶格等。納米薄膜根據它的構成 和緻密程度又可分為顆粒膜和緻密膜。納米薄膜可以是金屬、半導體、絕緣體、有機高分子 材料，其性能包括力、熱、光、磁等方面。納米材料的設計開發及其性能研究是高技術發展的基礎，力學、熱學性能是評價 納米材料的主要指標，也是進行納米機構設計與計算的主要依據。近年來，隨著材料的合成 和製造工藝的提高，其特徵尺寸越來越小。現代科技及研究方向逐漸邁向輕、小、薄的技術 裝置，它們在衍射柵、絕緣介質覆膜以及電子封裝中得到廣泛應用。薄膜技術得到越來越多 的應用，但是傳統的測量裝置通常不能測量薄膜的一些力學、熱學參量。MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems，即微機電系統)是一種全新的必須 同時考慮多種物理場混合作用的研發領域，相對於傳統的機械，它們的尺寸更小，最大不超 過一個釐米，甚至僅僅為幾個微米，其厚度更加微小。隨著薄膜/基底系統在MEMS及微電 子技術中的廣泛應用，其力學、熱學性能所受關注日益增多，很多學者在這方面做了大量工 作，但仍有很多問題尚未解決。MEMS生產過程中，由於熱學與力學參量的失配，薄膜在各種成型工藝過程中的加 熱冷卻，引起了殘餘熱應力；集成電路(IC)與集成系統(IS)在使用過程中的發熱引起的熱 應力和交變熱循環引起了熱疲勞，以及使用過程中引起的性能退化和老化，都是導致IC和 IS失效的重要原因。因此，薄膜/基底結構的力熱性能研究對MEMS的發展具有非常重要的 意義。為了對MEMS薄膜元器件進行更好的實驗研究，有必要設計一種科學實用的溫度場加 載方法來對納米薄膜的力學、熱血性能進行研究。薄膜/基底二元系統是MEMS元器件的主要結構，屈曲是其破壞失效的主要形式之 一，其破壞和界面粘附強度、初始缺陷、殘餘應力分布等形式存在很大關係。熱應力對薄膜 的屈曲有很大的影響。隨著溫度的不同、殘餘應力的存在以及加載方式的不同，屈曲的形式 會產生很多有趣的形態。應用原子力顯微鏡(AFM)觀測薄膜屈曲是研究的趨勢，國外高水平的論文大多是 應用原子力顯微鏡對薄膜的屈曲進行分析研究。應用AFM觀測薄膜的屈曲形貌，對於加載 裝置的性能要求很高，即在不同的外部載荷下視場面內的整體位移必須控制在AFM針尖的調整範圍之內，實現受載荷試件的原位觀測。同時，應用光學顯微鏡觀測薄膜屈曲，也是必不可少的實驗手段。由於顯微鏡在高 倍數工作時，其視場範圍有限，這對試件加載裝置的要求也很高。這就要求在不同的外力作 用下，原視場的觀察位置仍然保留在視場內，不會因為載荷的變化而偏離視場。

發明內容
為克服現有技術的不足，本發明目的在於提供一種帶基底微納米薄膜的溫度場模 擬裝置，科學合理的模擬MEMS薄膜元器件在工作環境下的溫度場，並且提供對薄膜/基底 結構試件進行加熱的新方法。為達到上述目的，本發明採用的技術方案如下帶基底微納 米薄膜的溫度場模擬裝置包括夾具、導熱膠、作為加熱源的箔式電阻、用於測量試件溫度 的熱電偶和根據熱電偶輸出控制箔式電阻的溫度控制器，試件前後兩面及下面設置為加熱 面，左右兩面設置為夾具夾持面，頂面為鍍膜面，夾具材質為金屬，箔式電阻構成電熱片，導 熱膠塗布在電熱片上，試件前後兩面及下面通過導熱膠粘在電熱片上。電熱片選取導熱性能較好的金屬材料。試件儘量緊貼電熱片，導熱膠必須塗抹均勻，防止導熱不均。本法發明具有以下技術效果箔式電阻具有加熱性能好，加熱速度快，便於安裝，安裝方式多樣等特點。選取試 件非鍍膜面進行加熱。放棄鍍膜面加熱方式，可以保持薄膜表面的完整和便於顯微鏡的觀 察；放棄兩個對稱加載面得加熱，成功解決了與力場的耦合實驗問題，不會因為夾具與試件 的接觸而影響加熱效果；三面加熱的方式可保證薄膜表面觀察區域的溫度均勻分布。溫度控制器和熱電偶用於控制和測量試件溫度，可以有效模擬恆溫場和循環溫度 場，以及合理控制溫度值。使用導熱膠將試件和加熱片粘接在一起。導熱膠具有一定的粘性，消除了因試件 的變形而引起的試件與電熱片之間傳熱不均的問題。同時，導熱膠不會固化，便於實驗後的 清理及電熱片的重複使用。


圖1本發明在沉積在有機玻璃基底上的鋁薄膜試件進行試驗效果示意圖。圖2本發明結構俯視圖。圖中，①試件。頂面鍍膜。②箔式電阻與試件間塗有導熱膠。圖3本發明結構正視圖。圖中，①試件。頂面鍍膜。②箔式電阻與試件間塗有導熱膠。圖4本發明結構側視圖。圖中，①試件。頂面鍍膜。②箔式電阻與試件間塗有導熱膠。圖5本發明熱載荷控制系統電路圖.
具體實施例方式由於納米薄膜自身的強度很小，所以通常都是沉積在其他材料製作的基底上以保持其結構。因此該溫度模擬方法適用於對薄膜/基底結構試件進行加熱。對薄膜/基底結 構進行溫度場模擬時必須解決以下幾點技術問題保持試件表面薄膜的完整性。實驗過程中，不能因為加熱裝置的不合理設計而劃 傷薄膜，破壞其結構。薄膜的損壞不利於進一步的實驗研究，對試驗結果有著不可忽視的影 響。保持溫度的均勻性。為了研究薄膜的屈曲破壞隨溫度變化的影響，要求薄膜表面 溫度分布必須均勻，以減小溫度梯度對薄膜屈曲形貌的影響。保持溫度值的合理性。由於MEMS元器件的工作環境及其自身發熱等因素，薄膜的 溫度具有一定範圍。所以合理控制溫度值，使溫度分布符合MEMS元器件的工作環境十分必 要。恆溫場的模擬。為了模擬MEMS恆溫的工作環境，從而對薄膜的屈曲進行研究，需 要控制溫度數值的穩定性，即溫度不能隨時間發生大的波動。循環溫度場的模擬。溫度數值的升降變化，是研究薄膜/基底結構熱疲勞的必要 實驗條件。便於顯微鏡觀察。薄膜的屈曲破壞必須藉助顯微鏡才能進行觀察，所以加熱元件 不能覆蓋在薄膜表面，以免妨礙實驗過程。可進行力熱耦合實驗。薄膜/基底二元結構工作的時候除了受到熱載荷的影響 夕卜，還要受壓應力的作用。因此需考慮實驗時溫度場與力場的耦合問題。保持薄膜/基底二元系統的基本結構不被破壞。薄膜/基底試件實驗研究的主要 結構參數和材料參數的改變均會對薄膜的性能產生影響。所以不能因為加熱元件的安裝而 改變試件的基本結構。為了解決以上技術問題，科學合理的進行溫度場的實驗模擬，我們採用以下解決方案。箔式電阻的使用。箔式電阻具有加熱性能好，加熱速度快，便於安裝，安裝方式多 樣等特點。選取試件非鍍膜面進行加熱，放棄鍍膜面加熱方式可以保持薄膜表面的完整和 便於顯微鏡的觀察；放棄兩個對稱加載面得加熱，成功解決了與力場的耦合實驗問題，不會 因為夾具與試件的接觸而影響加熱效果；底面單面加熱的方式可以使溫度在試件軸向具有 一定的梯度，在試件橫向均勻分布；三面加熱的方式可保證薄膜表面觀察區域的溫度均勻 分布。溫度控制器和熱電偶的選取。用於控制和測量試件溫度。可以有效模擬恆溫場和 循環溫度場，以及合理控制溫度值。導熱膠的使用。試件並不是直接固定在電熱片上，而是使用導熱膠將試件和加熱 片粘接在一起。導熱膠具有一定的粘性，消除了因試件的變形而引起的試件與電熱片之間 傳熱不均的問題。同時，導熱膠不會固化，有利於實驗後的清理及電熱片的重複使用。本方案的有益效果以沉積在有機玻璃基底上的鋁薄膜試件為例，說明其有益效果。試件尺寸長 1 Imm,寬 9mm，高 2mm。
如圖1所示。前後兩面及地面為加熱面，左右兩面為夾具夾持面，頂面對鍍膜面。深色表示相對高溫，淺色表示相對低溫。夾具材質為金屬，由於熱傳導作用，夾持面溫度較 低。鍍膜面中間區域為實驗觀察區域。可以看到，實驗區域溫度分布均勻，達到理想效果。 經測量，電熱片溫度為40°C，實驗區溫度值為38. 5°C且均勻分布。施加軸向對稱壓力後，試 件產生變形。但溫度分布沒有發生變化，說明電熱片與試件之間傳熱良好。最佳實施方式該溫度場模擬方法操作流程如下連接溫度控制電路。在電熱片內壁塗抹導熱膠。在電熱片中安裝試件。安裝熱電偶。接通並設置溫度控制器。接通加熱電路。為了保證溫度場的模擬效果，需注意以下事項電熱片選取導熱性能較好的金屬材料。試件儘量緊貼導熱片，導熱膠必須塗抹均勻，防止導熱不均。可提高溫度控制器技術指標，以提高控制精度。根據需要合理安裝熱電偶。溫度控制器及熱電偶選用已有產品，具體規格和精度根據實際需求確定。箔式熱電阻可選用電熱膜等產品，也可選用適當材料自行製作。具有加熱速度 快，安裝方式多樣加熱均勻，便於安裝等特點。
權利要求
一種帶基底微納米薄膜的溫度場模擬裝置，包括夾具、導熱膠、作為加熱源的箔式電阻、用於測量試件溫度的熱電偶和根據熱電偶輸出控制箔式電阻的溫度控制器，試件前後兩面及下面設置為加熱面，左右兩面設置為夾具夾持面，頂面為鍍膜面，夾具材質為金屬，箔式電阻構成電熱片，導熱膠塗布在電熱片上，試件前後兩面及下面通過導熱膠粘在電熱片上。
2.根據權利要求1所述的一種帶基底微納米薄膜的溫度場模擬裝置，其特徵是，電熱片選取導熱性能較好的金屬材料。
3.根據權利要求1所述的一種帶基底微納米薄膜的溫度場模擬裝置，其特徵是，試件儘量緊貼電熱片，導熱膠必須塗抹均勻，防止導熱不均。
全文摘要
本發明涉及納米材料力熱性能研究、MEMS微納米薄膜元器件實驗及測試領域，具體講涉及帶基底微納米薄膜的溫度場模擬裝置。為科學合理的模擬MEMS薄膜元器件在工作環境下的溫度場，提供對薄膜基底結構試件進行加熱的新方法，本發明採用的技術方案是，帶基底微納米薄膜的溫度場模擬裝置，包括夾具、導熱膠、作為加熱源的箔式電阻、用於測量試件溫度的熱電偶和根據熱電偶輸出控制箔式電阻的溫度控制器，試件前後兩面及下面設置為加熱面，左右兩面設置為夾具夾持面，頂面為鍍膜面，夾具材質為金屬，箔式電阻構成電熱片，導熱膠塗布在電熱片上，試件前後兩面及下面通過導熱膠粘在電熱片上。本發明主要應用於納米材料力熱性能研究。
文檔編號H05B3/20GK101799384SQ20101010291
公開日2010年8月11日 申請日期2010年1月29日 優先權日2010年1月29日
發明者李林安, 王世斌, 王志勇, 賈海坤 申請人:天津大學