[发明专利]力-热复合式原位加载系统

说明书

技术领域

本发明涉及纳米薄膜材料性能测试设备，特别涉及一种适用于沉积在基底上的纳米薄膜力-热复合式原位加载系统。

背景技术

材料是人类赖以生存和发展的物质基础。材料的研究对国民经济建设、国防建设、人民生活等有着重大意义，在国内外受到普遍重视。随着近年来纳米科学技术的兴起，纳米功能复合材料、沉积有纳米级尺度涂层的薄膜材料等迅速成为人们的关注焦点。而微电子机械系统正是纳米薄膜材料应用的关键领域之一。

微电子机械系统MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）是在融合多种微细加工技术，并应用现代信息技术的最新成果的基础上发展起来的高科技前沿学科，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。MEMS技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业，采用MEMS技术制作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力电子器件等在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们所接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。MEMS技术正发展成为一个巨大的产业，就像近20年来微电子产业和计算机产业给人类带来的巨大变化一样，MEMS也正在孕育一场深刻的技术变革并对人类社会产生新一轮的影响。其主要包括微型机构、微型传感器、微型执行器和相应的处理电路等几部分。随着对MEMS研究的深入，除了材料电学性能、电化学特性、加工工艺参数外，在产品的设计、加工、测试、实际使用中所遇到的大量力学问题与热学问题正对MEMS的飞速发展带来巨大挑战。同时，纳米尺度下的热力学特性研究有助于微系统结构的设计与功能实现，也为将来定制MEMS结构标准提供了依据。

在MEMS中，纳米薄膜扮演着举足轻重的角色，是最为关键的核心部件之一。所谓的纳米薄膜是指尺寸在nm量级的颗粒（晶粒）构成的薄膜或者层厚在nm量级的单层或多层薄膜，通常也称作纳米颗粒薄膜和纳米多层薄膜。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。在系统中，往往通过电化学沉积法、磁控溅射法、化学气相沉积法等技术手段将纳米薄膜沉积在各种硬性或柔性基底上，简称为薄膜-基底结构。其在MEMS中有着十分重要的地位。例如：在数据存储器和处理系统的集成电路中就有大量的导体、半导体和绝缘薄膜，在磁盘存储系统中起关键作用的是磁性薄膜等等。薄膜中均会有或压或拉的残余应力，在第I、II、III类残余应力中，有的高达几个GPa，因此薄膜/基底结构通常是工作在残余应力和热应力以及外加应力的联合作用下。这类薄膜的第一类破坏形式是断裂；第二类则是屈曲、散裂。薄膜在纳米尺度上的变形和损伤直接影响到器件的性能和寿命，因此，将薄膜/基底作为一个基本结构，对其中薄膜的力学、热学行为进行研究，具有十足的必要性和紧迫性。由于沉积在基底上的纳米薄膜往往工作在力-热复合环境下，并且受表面效应、组织结构、加工工艺等影响，薄膜的性能与宏观时相比有显著的不同，许多传统的测试方法与设备已经不再适用。因此，研发出适用于沉积在基底上的纳米薄膜材料的热力复合实验装置具有重大意义。