[发明专利]一种高精度原位力学测试芯片及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高精度原位力学测试芯片及制备方法，高精度原位力学测试芯片包括位于同一平面内的热执行器、样品台、以及悬梁杠杆；样品台、悬梁杠杆均设置在热执行器上；样品台由为环岛结构与第二样品台构成，且环岛结构上设置有测距梳齿；悬梁杠杆与质量块相连。悬梁杠杆自由端与测距梳齿临近，器件基于压阻效应的压阻传感器位移检测机制和基于杠杆原理的悬梁杠杆、测距梳齿组成的位移放大检测机制，使该测试芯片可以满足待测样品在不同力学载荷加载模式下的高精度应变测试要求。

技术领域

本发明涉及测试芯片技术领域，具体来说，涉及一种高精度原位力学测试芯片及其制备方法。

背景技术

过去的几十年，人们对低维材料的机械力学性能产生了极大的兴趣，纳米线，碳纳米管和石墨烯等低维材料是重要的基础研究方向，这是由于它们有异于体块材料的特殊性能以及拥有独特且可定制的物理性能的潜力，包括能量收集和存储、纳米机电系统(NEMS)、柔性电子学和可拉伸电子学在内的各种纳米技术应用。此外，当材料特征尺寸降至微纳米量级时，其力学性能与宏观体材料具有显著不同，并且纳米材料的力学性能与其微纳米尺度的变形机制密切相关。因此，发展一种可以实现TEM/SEM电镜下，能够原位观察在亚埃、原子或纳米尺度下研究材料的显微结构随静、动态力学参数变化，对于提高微纳电子器件的可靠性，促进相关领域的发展具有十分重要的意义。

目前在原位MEMS力学测试芯片中，一般样品的应变位移量在0.5-2μm，样品力学特性的准确表征主要依赖于位移量的测量，因此位移量的高精度测量是原位力学测试芯片研究中需要解决的一个研究重点。文献中已经报道的对待测样品进行应变测量的方法主要是基于原位观察法、数字图像识别技术(DIC)和传感器技术，其中原位观察法随着待测样品长度的增加其误差不断增大，而数字图像识别技术(DIC)和传感器技术受限于算法设计和电路噪声的限制，且对测试环境的要求较高。另外，原位TEM/SEM电镜测试芯片还鲜有能够提供单轴拉伸、压缩等多种应变形式，导致可以研究的材料力学特性受限，因此对样品台区域的结构进行设计实现多种应变形式的功能，对于原位力学测试芯片也极为重要。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于TEM/SEM电镜实现待测材料高精度应变检测的原位拉伸/压缩等力学测试芯片技术。同时提供该测试芯片的可大规模批量生产的标准微加工工艺制备方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提出一种高精度原位力学测试芯片，包括位于同一平面内的热执行器、样品台、以及悬梁杠杆；样品台、悬梁杠杆均设置在热执行器上。

热执行器和样品台均为轴对称结构，且关于同一条对称轴对称；

所述样品台为环岛结构，包括矩形框结构的第一样品台、以及位于矩形框结构内的第二样品台，所述的第二样品台为矩形结构，第一样品台矩形框的一条边上向外设置有测距梳齿。

热执行器包括质量块，质量块为矩形窄平板，所述质量块位于对称轴上；

第一样品台与质量块连接，沿对称轴方向将质量块分成两部分；设置有测距梳齿的第一样品台矩形框边与质量块平行。

质量块上近第一样品台的一端与悬梁杠杆连接，悬梁杠杆的固定端连接有悬梁杠杆锚点，悬梁杠杆自由端与测距梳齿相临近，

进一步的，悬梁杠杆与悬梁杠杆锚点之间设有压阻条，压阻条和悬梁杠杆锚点的表面设置有压焊块。

进一步的，所述测距梳齿为矩形结构，垂直设置在矩形框边上。

进一步的，所述的悬梁杠杆分为三段，包括第一连接杆、第二连接杆和第三连接杆，第二连接杆的一端垂直连接第一连接杆的一端，第一连接杆的另一端为悬梁杠杆固定端，第二连接杆的另一端垂直连接第三连接杆的一端，第三连接杆的另一端为悬梁杠杆自由端。第一连接杆与质量块垂直连接。

另一方面，本发明提供该原位力学测试芯片的制备方法。