專利名稱：微型拉伸測量組件及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明特別涉及一種用于薄膜力學(xué)性能測試技術(shù)領(lǐng)域的微型拉伸測量組件及其制造方法，屬于微機(jī)械制造領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著微納機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的迅速發(fā)展，各種薄膜材料廣泛應(yīng)用于各種微納器件中。 但由于尺寸效應(yīng)的影響，當(dāng)器件小到微納尺度時，材料的力學(xué)性能與體材料性能相比有顯著不同，而且不同的制備方法可能會造成組織結(jié)構(gòu)不同而使其材料性能有明顯差異。在設(shè)計MEMS/NEMS器件和進(jìn)行可靠性分析時，迫切需要知道所用材料的力學(xué)性能參數(shù)，如彈性模量和斷裂強(qiáng)度等。目前微尺度結(jié)構(gòu)材料力學(xué)性能測試方法主要有納米壓痕法、鼓膜法、諧振法、懸臂梁法和微拉伸法等。在這些方法中，微拉伸法是直接獲得微尺度結(jié)構(gòu)材料力學(xué)性能參數(shù)如楊氏模量、抗拉強(qiáng)度和泊松比等的最有效方法。目前國內(nèi)外的單軸微拉伸測試系統(tǒng)，其典型的試樣尺寸為幾微米到幾十微米，有效標(biāo)距長度一般小于1 mm，施加的拉伸力在毫牛級，變形在微米級。然而，對于MEMS尺寸的薄膜材料單軸拉伸方法而言，存在著試樣對中、夾持、應(yīng)變測量、試樣固定和薄膜試件制備等幾個方面的難點。專利公開號CN25M233的發(fā)明專利采用線切割技術(shù)加工制成了一種用于拉伸測量裝置的拉力傳感器，但由于線切割加工工藝精度的限制，該微力傳感器難以做到微米級別，因此對于要求精度很高的測量問題是不能滿足要求的。專利公開號CN101343033的發(fā)明專利提供了一種薄膜性能測試用微型彈簧力學(xué)傳感器的制作方法，其采用微電鑄工藝來制作微型彈簧力學(xué)傳感器。該制作方法所制作的力學(xué)傳感器雖然能滿足精度很高的測量問題，但該制作工藝需采用厚膠工藝及微結(jié)構(gòu)平坦化技術(shù)，制作工藝較為復(fù)雜，同時微電鑄的缺陷問題易造成力學(xué)傳感器性能下降。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)中的諸多缺陷提供一種微型拉伸測量組件及其制作方法，該微型拉伸測量組件測量精度高，性能穩(wěn)定，且制備工藝精確便捷，適于大規(guī)模制造。為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案
一種微型拉伸測量組件，其特征在于，它包括相互配合的固定平臺和移動平臺，所述固定平臺一端固定連接一第一樣品平臺，所述移動平臺一端經(jīng)彈性元件連接一第二樣品平臺，在測量時，樣品兩端分別與該第一樣品平臺和第二樣品平臺連接，同時，所述第二樣品平臺上還設(shè)有第二對中標(biāo)記和位移標(biāo)記，該第二對中標(biāo)記與設(shè)于第一樣品平臺上的第一對中標(biāo)記配合。優(yōu)選的，所述固定平臺一端中部形成一凹槽，該凹槽槽底中部沿軸向外凸形成第
一樣品平臺。所述移動平臺一端中部形成一凹槽，該凹槽中設(shè)置第二樣品平臺，該第二樣品平臺經(jīng)對稱設(shè)置于其兩側(cè)的彈性元件與移動平臺連接。優(yōu)選的，所述彈性元件包括垂直于移動平臺軸向設(shè)置的復(fù)數(shù)根彈性系數(shù)為 0. 05-500mN/ym的S型彈簧，其中每一彈簧一端與移動平臺固定連接，另一端與第二樣品平臺連接。尤為優(yōu)選的，所述S型彈簧線寬50-300 μ m,匝數(shù)為5-15匝，直梁長度為500-1500 微米，內(nèi)徑為200-400微米。另外，所述固定平臺一端還可對稱設(shè)置兩個半圓形對準(zhǔn)凹槽，該兩個半圓形對準(zhǔn)凹槽與對稱設(shè)置于移動平臺一端的兩個半圓形對準(zhǔn)凸塊配合。所述半圓形對準(zhǔn)凹槽及半圓形對準(zhǔn)凸塊的直徑優(yōu)選為lmm-1. 5mm。如上所述微型拉伸測量組件的制作方法，其特征在于，該方法為在不銹鋼襯底上旋涂正性光刻膠，并通過光刻工藝使光刻膠圖形化，而后烘烤圖形化的光刻膠，再根據(jù)光刻膠的圖形電化學(xué)刻蝕不銹鋼襯底，直至形成完整微型拉伸測量組件的結(jié)構(gòu)，最后去除光刻膠，獲得目標(biāo)產(chǎn)物。所述不銹鋼襯底優(yōu)選采用厚度為50 μ m-300 μ m的不銹鋼襯底，所述不銹鋼襯底至少由200系列，300系列和400系列不銹鋼中的任意一種組成。優(yōu)選的，該方法中對圖形化的正性光刻膠進(jìn)行烘烤的溫度為200°C -250°C。更具體的講，該方法包括如下步驟
(1)在厚度為50μ m-300 μ m的不銹鋼襯底上旋涂正性光刻膠，經(jīng)烘膠、曝光、顯影工藝將微拉伸測量組件的形狀轉(zhuǎn)移至光刻膠上；
(2)采用200°C_250°C的高溫烘烤圖形化的正性光刻膠1- ；
(3)將不銹鋼襯底于稀酸溶液中浸泡0.5-lh去除表面的自然氧化層，其后用氮氣吹干，所述稀酸溶液包括稀鹽酸、稀硫酸等可去除金屬氧化物的酸溶液；
(4)采用電化學(xué)刻蝕工藝刻蝕不銹鋼襯底，至形成完整微型拉伸測量組件的結(jié)構(gòu)；
(5)最后去除不銹鋼襯底上的光刻膠，獲得目標(biāo)產(chǎn)物。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點至少在于
(1)結(jié)構(gòu)簡單牢固，克服了硅基微拉伸測量器件易損壞的缺點；
(2)工藝簡便易操作，克服了當(dāng)前微電鑄工藝需采用厚膠工藝及微結(jié)構(gòu)平坦化技術(shù)的問題，以及避免了因微電鑄缺陷引起力學(xué)傳感器性能下降的問題，同時降低了制作成本。


圖1為本發(fā)明一較佳實施例中微拉伸測量組件的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是圖1所示微拉伸測量組件的制備工藝流程圖中各附圖標(biāo)記的含義如下1 固定平臺，2 定位孔，3 樣品對中標(biāo)記，4 樣品固定平臺，5 對準(zhǔn)凹槽，6 對準(zhǔn)凸塊，7 曲線形彈簧，8 樣品對中標(biāo)記，9 位移標(biāo)記， 10 樣品固定平臺，11 定位孔，12 移動平臺，13 不銹鋼襯底，14 光刻膠。
具體實施例方式以下結(jié)合一較佳實施例及附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說明。參閱圖1，該微拉伸測量組件系采用不銹鋼301制成，包括固定平臺1和移動平臺12，其中，固定平臺1上設(shè)有定位孔2、對準(zhǔn)凹槽5和樣品固定平臺4，樣品固定平臺4上設(shè)有樣品對中標(biāo)記3 ；移動平臺12上分布有復(fù)數(shù)個用作傳感載荷的曲線形彈簧7、定位孔11、 對準(zhǔn)凸塊6和樣品固定平臺10，樣品固定平臺10上設(shè)有樣品對中標(biāo)記8和位移標(biāo)記9。前述定位孔2和11分別用于固定固定平臺和移動平臺。前述對準(zhǔn)凹槽5與對準(zhǔn)凸塊6配合，該對準(zhǔn)凹槽5及對準(zhǔn)凸塊6的直徑為 lmm-1. 5mm0前述曲線形彈簧優(yōu)選采用彈性系數(shù)為0. 05-500mN/ μ m的S型彈簧。前述S型彈簧優(yōu)選采用如下結(jié)構(gòu)線寬50-300 μ m,匝數(shù)為5_15匝，直梁長度為 500-1500微米，內(nèi)徑為200-400微米。在利用該微型拉伸測量組件進(jìn)行樣品測試時，可首先先將樣品的兩端分別固定于樣品固定平臺4及樣品固定平臺10上，后施加拉力于移動平臺12，通過檢測移動平臺12的位移及位移標(biāo)記9的移動距離可計算出樣品的拉伸長度(也可稱為彈簧的形變尺寸)，通過胡克定律即可得到樣品形變與外力之間的關(guān)系。該微拉伸測量組件的制備工藝包括如下步驟
(1)在厚度為100微米的不銹鋼301襯底10上旋涂7微米厚的光刻膠13，經(jīng)烘膠、曝光、顯影工藝將微拉伸測量組件的形狀轉(zhuǎn)移至光刻膠13上，如圖Ia所示。(2)采用220°C的高溫進(jìn)行烘膠1. 5小時，提高光刻膠1在電解液中的抗腐蝕性。(3)將樣品在稀鹽酸的溶液中浸泡30min，后用氮氣吹干。(4)后將樣品作為電解的陽極，采用電化學(xué)刻蝕工藝刻蝕不銹鋼14，電解液為 1:7 (鹽酸去離子水)的鹽酸水溶液。(5)最后將樣品放入濃硫酸與雙氧水(3 1)的混合溶液中，70°C煮5分鐘，后經(jīng)去離子水沖洗，氮氣吹干即可得到不銹鋼基微拉伸測量組件。該微型拉伸測量組件結(jié)構(gòu)簡單牢固，克服了硅基微拉伸測量器件易損壞的缺點， 且制備工藝簡單，不會影響拉伸測量組件的性能。需要指出是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)本發(fā)明技術(shù)方案和技術(shù)構(gòu)思做出其它各種相應(yīng)的改變和變形，而這些改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種微型拉伸測量組件，其特征在于，它包括相互配合的固定平臺和移動平臺，所述固定平臺一端固定連接一第一樣品平臺，所述移動平臺一端經(jīng)彈性元件連接一第二樣品平臺，在測量時，樣品兩端分別與該第一樣品平臺和第二樣品平臺連接，同時，所述第二樣品平臺上還設(shè)有第二對中標(biāo)記和位移標(biāo)記，該第二對中標(biāo)記與設(shè)于第一樣品平臺上的第一對中標(biāo)記配合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型拉伸測量組件，其特征在于，所述固定平臺一端中部形成一凹槽，該凹槽槽底中部沿軸向外凸形成第一樣品平臺。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型拉伸測量組件，其特征在于，所述移動平臺一端中部形成一凹槽，該凹槽中設(shè)置第二樣品平臺，該第二樣品平臺經(jīng)對稱設(shè)置于其兩側(cè)的彈性元件與移動平臺連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的微型拉伸測量組件，其特征在于，所述彈性元件包括垂直于移動平臺軸向設(shè)置的復(fù)數(shù)根彈性系數(shù)為0. 05-500mN/ μ m的S型彈簧，其中每一彈簧一端與移動平臺固定連接，另一端與第二樣品平臺連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的微型拉伸測量組件，其特征在于，所述S型彈簧線寬 50-300 μ m，匝數(shù)為5-15匝，直梁長度為500-1500微米，內(nèi)徑為200-400微米。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型拉伸測量組件，其特征在于，所述固定平臺一端對稱設(shè)置兩個半圓形對準(zhǔn)凹槽，該兩個半圓形對準(zhǔn)凹槽與對稱設(shè)置于移動平臺一端的兩個半圓形對準(zhǔn)凸塊配合；所述半圓形對準(zhǔn)凹槽及半圓形對準(zhǔn)凸塊的直徑為lmm-1. 5mm。
7.如權(quán)利要求1所述微型拉伸測量組件的制作方法，其特征在于，該方法為在不銹鋼襯底上旋涂正性光刻膠，并通過光刻工藝使光刻膠圖形化，而后烘烤圖形化的光刻膠，再根據(jù)光刻膠的圖形電化學(xué)刻蝕不銹鋼襯底，直至形成完整微型拉伸測量組件的結(jié)構(gòu)，最后去除光刻膠，獲得目標(biāo)產(chǎn)物。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述微型拉伸測量組件的制作方法，其特征在于，所述不銹鋼襯底優(yōu)選采用厚度為50 μ m-300 μ m的不銹鋼襯底，所述不銹鋼襯底至少由200系列，300系列和 400系列不銹鋼中的任意一種組成。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述微型拉伸測量組件的制作方法，其特征在于，該方法中對圖形化的正性光刻膠進(jìn)行烘烤的溫度為200°C -250°C。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述微型拉伸測量組件的制作方法，其特征在于，該方法包括如下步驟(1)在厚度為50μ m-300 μ m的不銹鋼襯底上旋涂正性光刻膠，經(jīng)烘膠、曝光、顯影工藝將微拉伸測量組件的形狀轉(zhuǎn)移至光刻膠上；(2)采用200°C_250°C的高溫烘烤圖形化的正性光刻膠1- ；(3)將不銹鋼襯底于稀酸溶液中浸泡0.5-lh去除表面的自然氧化層，其后用氮氣吹干，所述稀酸溶液包括稀鹽酸、稀硫酸等可去除金屬氧化物的酸溶液；(4)采用電化學(xué)刻蝕工藝刻蝕不銹鋼襯底，至形成完整微型拉伸測量組件的結(jié)構(gòu)；(5)最后去除不銹鋼襯底上的光刻膠，獲得目標(biāo)產(chǎn)物。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微型拉伸測量組件及其制作方法。該測量組件包括相互配合的固定平臺和移動平臺，固定平臺一端固定連接第一樣品平臺，移動平臺一端經(jīng)彈性元件連接一第二樣品平臺，在測量時樣品兩端分別與該第一、第二樣品平臺連接，該第二樣品平臺上還設(shè)有與設(shè)于第一樣品平臺上的第一對中標(biāo)記配合的第二對中標(biāo)記和位移標(biāo)記；其制作方法為取不銹鋼基片進(jìn)行光刻、圖形化處理后，之后進(jìn)行高溫烘烤和電化學(xué)刻蝕，即可得到目標(biāo)產(chǎn)品。本發(fā)明器件結(jié)構(gòu)簡單牢固，不易損壞，工藝簡便易操作，克服了當(dāng)前微電鑄工藝需采用厚膠工藝及微結(jié)構(gòu)平坦化技術(shù)的問題，以及避免了因微電鑄缺陷引起力學(xué)傳感器性能下降的問題，提高了器件對準(zhǔn)精度，同時降低了制作成本。
文檔編號B81C1/00GK102419283SQ201110258039
公開日2012年4月18日 申請日期2011年9月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月2日
發(fā)明者吳東岷, 李加?xùn)| 申請人:中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所