[发明专利]一种基于MEMS工艺薄膜应变热导率测试装置及方法有效

专利信息
申请号: 201810317787.2 申请日: 2018-04-10
公开(公告)号: CN108844990B 公开(公告)日: 2020-05-22
发明(设计)人: 王海容;谷汉卿;陈翰林;王久洪 申请(专利权)人: 西安交通大学
主分类号: G01N25/20 分类号: G01N25/20
代理公司: 西安通大专利代理有限责任公司 61200 代理人: 姚咏华
地址: 710049 陕*** 国省代码: 陕西;61
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摘要:
搜索关键词: 一种 基于 mems 工艺 薄膜 变热 测试 装置 方法
【说明书】:

本发明公开了一种基于MEMS工艺薄膜应变热导率测试装置及方法,包括在外屏蔽罩下方设有的加热台,在外屏蔽罩内设有载物台,在载物台上设有压电测试装置,在压电测试装置上放置有测试片;在外屏蔽罩内壁设有温度传感器和通气孔;通过压电测试装置的压电驱动部件施加位移,压电测试装置的带动连接片,将位移施加到测试片使得镀有薄膜的测试片上的薄膜产生应变,应变大小为施加位移与应变片的设计大小比值确定。通过控制进给位移来控制薄膜应变的大小,通过向测试电极通入交流电流,通过读取从测试电极采集的3ω谐波的成分的大小并进过推导公式计算得到待测薄膜的热导率。此方法简单,完全满足测量薄膜不同应变下不同温度下的热导率的要求。

技术领域

本发明涉及微机电系统(MEMS)装置,特别是一种纳米薄膜应变与温度场情况下的热导率的测量装置及方法。

背景技术

随着微加工技术的不断发展与推进,作为仪器设备微型化的一个重要发展领域,MEMS器件受到越来越多的关注。当器件/材料的尺度微细化之后,由于量子效应、尺寸效应以及表面与界面效应,其许多物理规律与其在常规尺度下相比会有所变化,即出现了微尺度效应。如广泛应用MEMS器件中的各种薄膜材料,由于工艺、微结构、边界效应及缺陷等因素,其物理特性往往异于体材料,表现出明显的微尺度效应。而薄膜的工作场景往往处于温度场,电场,力场等多场耦合,其相应的耦合参数对薄膜材料的应用至关重要。直接的体现是按照一般规律设计的薄膜结构在多场耦合下,薄膜容易出现断裂、塑形变形、脱落等损伤使得整个器件失效,因此,对薄膜材料特性热-机械特性(尤其是在热管理设计中最重要的参数:热导率),了解的越准确,就越有利于科学指导工程设计,并提高其稳定性和可靠性,对微电子器件的研究和发展具有深远的意义。

例如在本课题组申请的专利(公开号CN106813718A)“一种测量薄膜应变与热导率的装置及方法”(王海容,陈翰林,张咪,谷汉卿)中,公开了一种周边简支固定的圆形薄膜承受集中圆环载荷下薄膜应变与薄膜热导率的装置,将圆盘的应变经计算等效为圆盘上薄膜的薄膜应变,不过圆盘正面为拉伸应变,反面为压缩应变,这种加载方式是否会有干扰有待考验。例如在专利(公开号CN102053100A)“热电材料参数自动测定仪”(林国淙,刘晖,丁喜冬,张进修)中,发明了一个仪器可在-30°到800°的温度范围内,自动测量热电材料在各温度点的电导率、塞贝克(Seebeck)系数及热导率,从而得到热电材料品质因子ZT,但是此类系统搭建复杂昂贵,没有涉及到力热耦合参数测量,依旧满足不了需求。

例如文献Mechanical Strain Dependence of Thermal Transport inAmorphous Silicon Thin Films(NanoscaleMicroscale Thermophysical Engineering,2015)提出了基于MEMS的纳米结构拉伸装置,通过理论推导得出热导率,但是并没有考虑不同温度下的热导率测量。

因此研究薄膜器件中应变与材料的热导率的关系变得越来越突出,此类热物性参数对MEMS器件有着极其重要的作用和潜在的应用价值。这就需要在确定温度下(或变温情况下),研究材料应变与热导率的关系。因此,基于MEMS工艺制备一种平面应变加载和热导率测试装置,使原理简单并易于实现,并且测试方法成熟可靠成为目前本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述缺陷,本发明的目的在于提供一种基于简单易行的MEMS工艺制备平面应变加载和热导率测试装置。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

一种基于MEMS工艺薄膜应变热导率测试装置,包括一个外屏蔽罩,在外屏蔽罩下方设有加热台,在外屏蔽罩内设有载物台,在载物台上设有压电测试装置,在压电测试装置上放置有测试片;在外屏蔽罩内壁设有温度传感器和通气孔;

所述压电测试装置包括依次连接的金属连接块、压电驱动部件和连接片;制备有待测薄膜的测试片连接在金属连接块和连接片上,待测薄膜上的测试电极与检测系统和计算机相连;

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