專利名稱：膜基結(jié)合性能的背面穿透式的測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種測量技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體是一種膜基結(jié)合性能的背面 穿透式的測量方法。
技術(shù)背景薄膜在現(xiàn)代工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，因而薄膜性能得以大量研究。膜基結(jié)合 性能是評價膜基體系性能的重要指標(biāo)。因此各種膜基結(jié)合力測試方法得以大量研 究。傳統(tǒng)的測試方法包括剝離測試法，劃痕測試法，拉伸測試法，剪切測試法， 壓入測試法，梁彎曲測試法，超聲波反射法等。上述測量方法均具有如下缺點 結(jié)合性能很好的薄膜從基片上剝離時會引起與膜基結(jié)合性能無關(guān)的能量損耗，這 導(dǎo)致了膜基結(jié)合力的測量結(jié)果不準(zhǔn)確。鼓泡法則具有上述方法不具備的優(yōu)勢使 與膜基結(jié)合性能無關(guān)的能量損耗降至最低，得到膜基結(jié)合性能的精確值。鼓泡法 的缺點是其存在試樣制作上的困難，且適用范圍局限為硅基底。經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利號200310108307.5，名稱為"內(nèi)漲鼓泡法檢測金剛石涂層附著強度的測試方法"的專利提出使用油壓加載，在自制的控制系統(tǒng)下進(jìn)行鼓泡法檢測膜基結(jié)合強度。但其存在的不足和缺陷是由于預(yù)制待測部件過程復(fù)雜困難，且其基底系統(tǒng)局限于硅基底，應(yīng)用范圍大大受限。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種膜基結(jié)合性能的背面穿透 式的測量方法。本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)中待測部件預(yù)制復(fù)雜以及基底系統(tǒng)受硅材 料局限的技術(shù)問題，能定量測量膜基結(jié)合性能，精確地測定膜基結(jié)合力，獲取膜 的疲勞性能參數(shù)。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明采用頂桿穿透待測部件基底體 系，載荷加載于頂桿下端，推動頂桿使薄膜發(fā)生撓曲變形。以靜載荷形式加載時， 薄膜的撓度和載荷大小由相應(yīng)傳感器分別獲得，通過板殼理論公式計算出靜載時 待測部件膜基結(jié)合力；或以動載荷形式加載時，通過測量膜凸起面積半徑和記錄 循環(huán)次數(shù)，建立裂紋擴展長度與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系，用來評估膜的疲勞性能。 本發(fā)明具體包括如下步驟[1]穿透待測部件基底，在待測部件的基底上打通孔，獲得圓形通孔，通孔 頂部設(shè)有倒角。[2]制備與通孔相配合的頂桿，并將頂桿插入通孔中，使通孔與頂桿頂部之 間緊密配合，頂桿頂部端面比基底鍍膜面略高，以防止由于頂桿的頂部低于鍍膜 面造成后續(xù)打磨面積過大。[3]在頂桿桿部打洞，將彈簧外套于頂桿桿部，在頂桿桿部洞內(nèi)插入插銷， 使彈簧被壓縮在插銷和基底之間。此步驟保證頂桿頂部和通孔倒角始終處于緊密 接觸狀態(tài)，防止后續(xù)打磨過程中出現(xiàn)頂桿晃動，導(dǎo)致鍍膜面不平整，影響鍍膜的 完整、均一。[4]與頂桿頂部端面同一側(cè)的待測部件基底面，作為鍍膜面進(jìn)行打磨，平整 光潔后，在鍍膜面上進(jìn)行鍍膜。[5]拔出插銷，取出彈簧，在頂桿下端加載不同形式的載荷，獲得膜不同的 凸起面積半徑。步驟[1]中，所述的倒角，其角度范圍為35。 85°之間。以保證了后續(xù)步 驟中頂桿與通孔的能緊密配合，避免打磨、鍍膜面過程中頂桿晃動，脫離通孔， 保證了鍍膜過程中膜的完整性。步驟[2]中，所述頂桿，其頂部與通孔倒角緊密配合，其桿身半徑小于通孔 半徑。步驟[2]中，所述頂桿頂部端面比基底鍍膜面略高，其范圍是0.5mm lmm。 所述的步驟[5]，具體是以在頂桿下端以靜載形式加載，引起膜的撓曲變形，通過位移和力傳感器測量膜的撓度和載荷大小，結(jié)合板殼理論公式可算出G值，即膜基脫離能量釋放率，可用來表征膜基結(jié)合力。所述公式為<formula>formula see original document page 5</formula>其中，h為薄膜厚度，u。是 薄膜最大撓度，a和b是脫離基體區(qū)域面積和中心半金字塔形區(qū)域半徑， <formula>formula see original document page 6</formula>所述的步驟[5]，或具體是在頂桿下端以動載形式加載，在一定的動載加 載次數(shù)下，膜相應(yīng)會發(fā)生一定程度的撓曲，利用現(xiàn)有的油浸法或者聲發(fā)射顯微鏡 得不同循環(huán)加載次數(shù)中對應(yīng)的每次測得的脫離基體區(qū)域面積半徑，測得脫離基體 區(qū)域面積半徑可作為膜疲勞裂紋擴展長度，因此可獲取不同循環(huán)加載次數(shù)下的膜 疲勞裂紋擴散長度，獲得膜疲勞性能。(由美國金屬學(xué)會手冊第十九巻的定義-疲勞是指部件在交變應(yīng)力或者一個或某幾個點載荷作用下的部件局域出現(xiàn)明顯 結(jié)構(gòu)現(xiàn)象的變化，例如裂紋的產(chǎn)生和構(gòu)件的完全斷裂。因此對比不同循環(huán)加載次 數(shù)下膜疲勞裂紋擴展長度可體現(xiàn)出不同循環(huán)載荷次數(shù)下對膜基結(jié)合的破壞程度， 表征了膜的疲勞性能。)與現(xiàn)有技術(shù)中鼓泡法檢測膜基結(jié)合強度相比，本發(fā)明載荷加載于頂桿下端， 推動頂桿使薄膜發(fā)生撓曲變形，尤其是通過加載動載，獲取膜脫離基底區(qū)域面積 半徑和循環(huán)次數(shù)的關(guān)系，從而得到裂紋擴展長度與循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系。本發(fā)明 還簡化了背面穿透法制備零部件中所采用的刻蝕法等傳統(tǒng)工藝，可以獲取表征疲 勞性能的相關(guān)參數(shù)，突破了基底系統(tǒng)硅材料的限制，可應(yīng)用于多種膜基系統(tǒng)。


圖1為本發(fā)明未裝配前各個構(gòu)件結(jié)構(gòu)示意2為本發(fā)明鍍膜面未經(jīng)打磨的各個構(gòu)件結(jié)構(gòu)示意3為本發(fā)明鍍膜面打磨后的各個構(gòu)件結(jié)構(gòu)示意中l(wèi)一通孔，2—倒角，3 —頂桿，4一頂桿頂部端面，5—基底鍍膜面， 6-插銷具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細(xì)說明本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù) 范圍不限于下述的實施例。 實施例1第一步在規(guī)格為40mmx20mmx5mm的基底上加工一個半徑為1.5mm圓通
孔1，在通孔上加工出圖1所示的45°的倒角2。第二步加工一根與之相配合的頂桿3。如圖2所示，裝配之后的基底系統(tǒng)中頂桿頂部端面4比基底鍍膜面5高0. 75mm，如圖3所示磨平該鍍膜面。保證 鍍膜面平整光滑。第三步在頂桿下端套一個半徑比基底孔洞半徑大0.5 lmm且剛性較大的 彈簧，如圖2所示，在頂桿桿部打洞，插一根插銷6，彈簧被壓縮在插銷6和基 底之間，因而使得頂桿和基底處于緊密接觸狀態(tài)。這是因為本發(fā)明所采取膜基體 系在鍍膜面打磨時，頂桿易產(chǎn)生晃動，影響鍍膜面的平整度，從而影響鍍膜的完 整性和均一性。為避免此種情況發(fā)生，避免了打磨和鍍膜過程中外力對兩系統(tǒng)緊 密接觸的破壞，同時解決了鍍膜后頂桿的晃動的問題，這種晃動會導(dǎo)致膜和基底 的脫離，將直接影響進(jìn)一步的測量。第四步在基底體系表面鍍上Cu膜(E=190GPa)后，膜厚約為h=l. (^m其 泊松比v =0.291。第五步拔出插銷6，取出彈簧，通過加載裝置對頂桿的下端進(jìn)行加載，可 以使薄膜向上發(fā)生撓曲變化。在頂桿下端加載靜載1 5N，用傳感器測量膜的撓 曲u。=1.5pm、脫離基體區(qū)域半徑a=40.7pm和中心半金字塔形區(qū)域半徑 b二3.5pm，將相關(guān)參數(shù)代入通過公式就可以計算出G值，即膜基脫離的能量釋放 率，可以表征膜基結(jié)合強度。G =五""。2 (1 — A)4 (2F(A) + = 5.4064J / m2 。本實施例預(yù)制待測部件簡單以及基底系統(tǒng)不受硅材料局限。本實施例能定量 測量膜基結(jié)合性能，精確地測定膜基結(jié)合力。 實施例2第一步在待測部件基底上加工一個半徑為1.5mm圓通孔l，在通孔上加工 出圖1所示的35。的倒角2。第二步加工一根與之相配合的頂桿3。如圖2所示，裝配之后的基底系統(tǒng) 中頂桿頂部端面4比基底鍍膜面5高0. 5mm。其他步驟同實施例1。 第五步在頂桿下端以動載形式加載，在一定的動載加載次數(shù)下，膜相應(yīng)會 發(fā)生一定程度的撓曲，利用油浸法可測得不同循環(huán)加載次數(shù)中對應(yīng)的每次測得的 脫離基底區(qū)域面積半徑，所測得的脫離基底區(qū)域面積半徑可作為膜疲勞裂紋擴展 長度，由此可獲取不同循環(huán)加載次數(shù)下的膜疲勞裂紋擴展長度，表征了膜的疲勞 性能。本實施例預(yù)制待測部件簡單以及基底系統(tǒng)不受硅材料局限。本實施例能簡 易、精確地獲取膜的疲勞性能參數(shù)。 實施例3第一步在待測部件基底上加工一個半徑為1.5mm圓通孔l，在通孔上加工 出圖1所示的85。的倒角2。第二步加工一根與之相配合的頂桿3。如圖2所示，裝配之后的基底系統(tǒng)中頂桿頂部端面4比基底鍍膜面5高lram。 其他步驟同實施例l。第五步在頂桿下端以動載形式加載，在一定的動載加載次數(shù)下，膜相應(yīng)會發(fā)生一定程度的撓曲，在聲發(fā)射顯微鏡下可得不同循環(huán)加載次數(shù)中對應(yīng)的每次測 得的脫離基底區(qū)域面積半徑，所測得的脫離基底區(qū)域面積半徑可作為膜疲勞裂紋 擴展長度，由此可獲取不同循環(huán)加載次數(shù)下的膜疲勞裂紋擴展長度，表征了膜的 疲勞性能。本實施例預(yù)制待測部件簡單以及基底系統(tǒng)不受硅材料局限。本實施例能簡 易、精確地獲取膜的疲勞性能參數(shù)。
權(quán)利要求
1. 一種膜基結(jié)合性能的背面穿透式的測量方法，其特征在于，采用頂桿穿透 待測部件基底體系，載荷加載于頂桿下端，推動頂桿使薄膜發(fā)生撓曲變形，以靜 載荷形式加載時，薄膜的撓度和載荷大小由相應(yīng)傳感器分別獲得，通過計算獲得 靜載時待測部件膜基結(jié)合力；或以動載荷形式加載吋，通過測量膜凸起面積半徑 和記錄循環(huán)次數(shù)，建立裂紋擴展長度與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系，用來評估膜的疲勞性能。
2. 如權(quán)利要求1所述的膜基結(jié)合性能的背面穿透式的測量方法，其特征是， 具體包括如下步驟[1]穿透待測部件基底，在待測部件的基底上打通孔，獲得圓形通孔，通孔 頂部設(shè)有倒角；[2]制備與通孔相配合的頂桿，并將頂桿插入通孔中，使通孔與頂桿頂部之 間緊密配合，頂桿頂部端面比基底鍍膜面略高；[3]在頂桿桿部打洞，將彈簧外套于頂桿桿部，在頂桿桿部洞內(nèi)插入插銷， 使彈簧被壓縮在插銷和基底之間；[4]與頂桿頂部端面同一側(cè)的待測部件基底面，作為鍍膜面進(jìn)行打磨，平整 光潔后，在鍍膜面上進(jìn)行鍍膜；[5]拔出插銷，取出彈簧，在頂桿下端加載不同形式的載荷，獲得膜不同的 凸起面積半徑。
3. 如權(quán)利要求2所述的膜基結(jié)合性能的背面穿透式的測量方法，其特征是， 步驟[1]中，所述的倒角，其角度范圍為35。 85°之間。
4. 如權(quán)利要求2所述的膜基結(jié)合性能的背面穿透式的測量方法，其特征是， 步驟[2]中，所述頂桿頂部端面比基底鍍膜面略高，其范圍是0.5mm lmm。
5. 如權(quán)利要求2或4所述的膜基結(jié)合性能的背面穿透式的測量方法，其特 征是，所述的頂桿，其頂部與通孔倒角緊密配合，其桿身半徑小于通孔半徑。
6. 如權(quán)利要求2所述的膜基結(jié)合性能的背面穿透式的測量方法，其特征是， 所述步驟[5]，具體是以在頂桿下端以靜載形式加載，引起膜的撓曲變形，通 過位移和力傳感器測量膜的撓度和載荷大小，結(jié)合板殼理論公式算出G值，用來 表征膜基結(jié)合力。
7.如權(quán)利要求2所述的膜基結(jié)合性能的背面穿透式的測量方法，其特征是， 所述步驟[5]，具體是在頂桿下端以動載形式加載，在動載加載若干次數(shù)下， 膜相應(yīng)會發(fā)生撓曲，利用油浸法或者聲發(fā)射顯微鏡得不同循環(huán)加載次數(shù)中對應(yīng)的 每次測得的脫離基體區(qū)域面積半徑，獲取不同循環(huán)加載次數(shù)下的膜疲勞裂紋擴散 長度，表征膜疲勞性能。
全文摘要
本發(fā)明涉及的是測量技術(shù)領(lǐng)域的膜基結(jié)合性能的背面穿透式的測量方法。本發(fā)明采用頂桿穿透待測部件基底體系，載荷加載于頂桿下端，推動頂桿使薄膜發(fā)生撓曲變形，以靜載荷形式加載時，薄膜的撓度和載荷大小由相應(yīng)傳感器分別獲得，通過板殼理論公式計算出靜載時待測部件膜基結(jié)合力；或以動載荷形式加載時，通過測量膜凸起面積半徑和記錄循環(huán)次數(shù)，建立裂紋擴展長度與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系，用來評估膜的疲勞性能。本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)中待測部件預(yù)制復(fù)雜以及基底系統(tǒng)受硅材料局限的技術(shù)問題。本發(fā)明能定量測量膜基結(jié)合性能，精確地測定膜基結(jié)合力，獲取膜的疲勞性能參數(shù)。
文檔編號G06F19/00GK101122561SQ200710044480
公開日2008年2月13日 申請日期2007年8月2日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月2日
發(fā)明者虹 朱, 耀 沈, 沈志強, 聶璞林, 珣 蔡 申請人:上海交通大學(xué)