微纳米材料与结构力热耦合高周疲劳试验方法及试验装置与流程

1.本发明涉及集成电路芯片技术领域，特别是涉及一种微纳米材料与结构力热耦合高周疲劳试验方法及试验装置。


背景技术：

2.集成电路芯片为了实现极高的小型化、集成化程度，其内部往往包含大量的微纳米尺度的材料与结构。在芯片的使用过程中，其内部的微纳米材料经常会受到机械振动或热循环的影响，因此微纳米材料的疲劳断裂是影响整个系统在长期使用过程中的结构完整性和功能可靠性的重要因素。因此有必要对微纳米材料的高周疲劳性能进行研究。
3.在原位试验条件下，对微纳尺度的构件试样进行夹持、激振及调控温度，是试验过程的最大难点。目前已开发了对微纳尺度试样进行单调拉伸、单轴拉压、低周疲劳的试验，但由于这类试验的载荷是通过尖端接触施加的，很难将其推广到高周疲劳试验中。利用现有的原位试验系统，可以利用超声波对试样进行激振，但需要保持环境的低真空状态，效果较差，用激励振动的方式无法限制试样振动频率过高的问题。此外，在进行高温试验过程中，以往的试验使用的原位加热系统是在准静态条件下的试样底部垫入数控加热模块，中间以陶瓷片隔离，通过热传导的方式对试样加热，但这种加热系统直接接触试样的方式会对试样振动产生影响，无法准确评估其疲劳过程，使得结果准确度难以保证。


技术实现要素：

4.为解决以上技术问题，本发明提供一种微纳米材料与结构力热耦合高周疲劳试验方法及试验装置，实现了微纳尺度试样无接触高周循环加载，并解决了试样振动频率过高的问题，提升了试验结果的准确度。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.本发明提供一种微纳米材料与结构力热耦合高周疲劳试验方法，包括以下步骤：
7.步骤一、将块状试样加工成悬臂型试样，所述悬臂型试样包括依次连接的试样支撑部、试样共振疲劳试验部和试样测振部，所述试样共振疲劳试验部设置于所述试样支撑部顶部的一侧，所述试样测振部设置于所述试样共振疲劳试验部远离所述试样支撑部的一侧，所述试样支撑部、所述试样测振部和所述试样共振疲劳试验部的宽度和厚度均依次减小，并使得所述试样支撑部固定于硅衬底上；
8.步骤二、将带有所述悬臂型试样的所述硅衬底固定于叠层压电致动器的顶面上，通过数据控制系统控制所述叠层压电致动器使得所述悬臂型试样运动至测量的位置，通过所述数据控制系统控制非接触式加热装置采用热辐射的形式对所述悬臂型试样进行加热；
9.步骤三、通过所述数据控制系统控制激振装置采用原位电场诱导共振的激振方式使得所述悬臂型试样振动，采用激光多普勒测振仪对所述悬臂型试样中所述试样共振疲劳试验部靠近所述试样支撑部一端和所述试样测振部远离所述试样共振疲劳试验部一端进行测试，并将测得的数据传送至所述数据控制系统。
10.优选地，在步骤一中，将所述块状试样在sem下利用fib切削成棱柱型微尺度试样，用真空镊子将所述棱柱型微尺度试样放置在所述硅衬底上，并利用粘合剂将所述棱柱型微尺度试样固定于所述硅衬底上；再次利用fib将所述棱柱型微尺度试样的一端切削为悬臂梁，将所述棱柱型微尺度试样的另一端切削为所述试样支撑部，使得所述悬臂梁的顶面与所述试样支撑部的顶面齐平；继续利用fib将所述悬臂梁靠近所述试样支撑部的一端切削为所述试样共振疲劳试验部，所述悬臂梁未被切削的远离所述试样支撑部的另一端为所述试样测振部，使得所述试样共振疲劳试验部的顶面与所述试样测振部的顶面齐平，使得所述试样共振疲劳试验部的一端位于所述试样测振部一侧的中部，所述试样共振疲劳试验部的另一端位于所述试样支撑部一侧的中部；在步骤二中，在所述叠层压电致动器的顶面上设置样品托台，将带有所述悬臂型试样的所述硅衬底通过粘合剂固定于所述样品托台上，使用过程中对所述样品托台进行冷却。
11.优选地，在步骤二中，所述非接触式加热装置包括加热头、加热装置接口、非接触式温度传感器和温度控制器，所述加热头包括两个安装板和两个电加热丝，两个所述安装板设置于所述加热装置接口的同一侧，两个所述安装板之间存在间隙且对称设置，各所述安装板的内侧设置有一个所述电加热丝，对所述悬臂型试样加热时使得所述试样测振部位于两个所述电加热丝之间，且两个所述安装板位于同一水平面上，所述电加热丝通过所述加热装置接口与所述温度控制器连接，所述非接触式温度传感器用于测量所述试样测振部表面的温度，所述非接触式温度传感器与所述温度控制器连接，所述温度控制器与所述数据控制系统连接，所述加热装置接口远离所述加热头的一侧设置有加热装置托台，使用过程中对所述加热装置托台进行冷却。
12.优选地，在步骤三中，所述激振装置包括对电极和合成信号发生器，所述对电极与所述合成信号发生器连接，所述合成信号发生器与所述数据控制系统连接，将所述对电极设置于所述试样测振部远离所述试样共振疲劳试验部的一侧，通过所述合成信号发生器在所述悬臂型试样和所述对电极之间施加一个叠加在直流偏置电压上的正弦交流小信号，通过调整所述正弦交流小信号的频率，当所述正弦交流小信号的频率与所述悬臂型试样的机械共振频率相匹配时，所述悬臂型试样会产生一个峰值共振振动。
13.优选地，在步骤三中，所述激光多普勒测振仪包括激光发射器、光电探测器和振动控制器，所述光电探测器设置于所述激光发射器的下部，所述激光发射器和所述光电探测器均与所述振动控制器连接，所述振动控制器与所述数据控制系统连接，使用时所述激光发射器发射激光束到所述悬臂型试样的表面，所述光电探测器将测得的数据通过所述振动控制器传至所述数据控制系统。
14.本发明还提供一种微纳米材料与结构力热耦合高周疲劳试验装置，包括叠层压电致动器、激光多普勒测振仪、非接触式加热装置、激振装置和数据控制系统，所述叠层压电致动器、所述激光多普勒测振仪、所述非接触式加热装置和所述激振装置均与所述数据控制系统连接，所述叠层压电致动器用于驱动悬臂型试样运动至测量的位置，所述非接触式加热装置用于对所述悬臂型试样进行非接触式加热，所述激振装置用于激励所述悬臂型试样振动，所述激光多普勒测振仪用于对所述悬臂型试样进行测量。
15.优选地，所述非接触式加热装置包括加热头、加热装置接口、非接触式温度传感器和温度控制器，所述加热头包括两个安装板和两个电加热丝，两个所述安装板设置于所述
加热装置接口的同一侧，两个所述安装板之间存在间隙且对称设置，各所述安装板的内侧设置有一个所述电加热丝，所述电加热丝通过所述加热装置接口与所述温度控制器连接，所述非接触式温度传感器用于测量所述悬臂型试样表面的温度，所述非接触式温度传感器与所述温度控制器连接，所述温度控制器与所述数据控制系统连接；所述加热装置接口远离所述加热头的一侧设置有加热装置托台，所述加热装置托台中设置有第一冷却通道，所述加热装置托台的同一侧设置有一个第一进水口和一个第一出水口，所述第一冷却通道的两端分别与所述第一进水口和所述第一出水口连接；所述安装板为弧形板，两个所述安装板的凹面相对设置，所述电加热丝设置于所述安装板内侧远离所述加热装置接口的一端，所述电加热丝沿所述安装板的长度方向延伸设置，所述电加热丝为弧形加热丝。
16.优选地，所述叠层压电致动器的顶面上设置有样品托台，所述样品托台中设置有第二冷却通道，所述样品托台的同一侧设置有一个第二进水口和一个第二出水口，所述第二冷却通道的两端分别与所述第二进水口和所述第二出水口连接。
17.优选地，所述激振装置包括对电极和合成信号发生器，所述对电极与所述合成信号发生器连接，所述合成信号发生器与所述数据控制系统连接；所述激光多普勒测振仪包括激光发射器、光电探测器和振动控制器，所述激光发射器和所述光电探测器均与所述振动控制器连接，所述振动控制器与所述数据控制系统连接。
18.优选地，还包括接线盒，所述叠层压电致动器、所述温度控制器、所述合成信号发生器和所述振动控制器均通过所述接线盒与所述数据控制系统连接。
19.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
20.本发明提供的微纳米材料与结构力热耦合高周疲劳试验方法及试验装置，采用悬臂型试样，悬臂型试样包括依次连接的试样支撑部、试样共振疲劳试验部和试样测振部，试样共振疲劳试验部设置于部试样支撑部顶部的一侧，试样测振部设置于试样共振疲劳试验部远离试样支撑部的一侧，即悬臂型试样的一端保留试样测振部来抑制试样的高谐振频率，并能够准确调控试样整体的谐振频率，解决了高周疲劳测试中谐振频率不可控的问题。通过激振装置采用原位电场诱导共振的激振方式使得悬臂型试样振动，即使得微纳尺度试样可以进行高周循环加载，而无需接触。并用激光多普勒测振仪在悬臂型试样的两处取点测量。采用非接触式加热装置，利用热辐射的方式对悬臂型试样加热，避免影响悬臂型试样的振动，从而可以在原位测试中对微纳尺度试样进行无支撑衬底、无残余应力、无接触以及加热条件下的完全反向循环加载，从而完成微纳米材料与结构力热耦合高周疲劳试验，提升了试验结果的准确度。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1为本发明提供的微纳米材料与结构力热耦合高周疲劳试验装置主视图；
23.图2为本发明提供的微纳米材料与结构力热耦合高周疲劳试验方法中悬臂型试样的主视图；
24.图3为本发明提供的微纳米材料与结构力热耦合高周疲劳试验方法中悬臂型试样、加热头与对电极相配合的俯视图；
25.图4为本发明提供的微纳米材料与结构力热耦合高周疲劳试验装置中样品托台的结构示意图。
26.附图标记说明：100、微纳米材料与结构力热耦合高周疲劳试验装置；1、叠层压电致动器；2、硅衬底；3、悬臂型试样；301、试样支撑部；302、试样共振疲劳试验部；303、试样测振部；4、激光发射器；5、光电探测器；6、振动控制器；7、加热头；701、安装板；702、电加热丝；8、加热装置接口；9、温度控制器；10、数据控制系统；11、接线盒；12、对电极；13、合成信号发生器；14、加热装置托台；15、样品托台；16、第二进水管；17、第二出水管。
具体实施方式
27.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.本发明的目的是提供一种微纳米材料与结构力热耦合高周疲劳试验方法及试验装置，实现了微纳尺度试样无接触高周循环加载，并解决了试样振动频率过高的问题，提升了试验结果的准确度。
29.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
30.如图1
‑
图3所示，本实施例提供一种微纳米材料与结构力热耦合高周疲劳试验方法，包括以下步骤：
31.步骤一、将块状试样加工成悬臂型试样3，悬臂型试样3包括依次连接的试样支撑部301、试样共振疲劳试验部302和试样测振部303，试样共振疲劳试验部302设置于试样支撑部301顶部的一侧，试样测振部303设置于试样共振疲劳试验部302远离试样支撑部301的一侧，试样支撑部301、试样测振部303和试样共振疲劳试验部302的宽度和厚度均依次减小，并使得试样支撑部301固定于硅衬底2上；需要说明的是，本实施例中试样支撑部301、试样共振疲劳试验部302和试样测振部303依次排布的方向为长度方向，将该方向设定为x向，试样支撑部301、试样测振部303和试样共振疲劳试验部302的宽度方向为y向，试样支撑部301、试样测振部303和试样共振疲劳试验部302的厚度方向为z向。
32.步骤二、将带有悬臂型试样3的硅衬底2固定于叠层压电致动器1的顶面上，通过数据控制系统10控制叠层压电致动器1使得悬臂型试样3运动至测量的位置，具体地，叠层压电致动器1是一个xyz三方向控制样品运动的装置，其作用是使得样品能准确抵达测量的位置。通数据控制系统10控制过非接触式加热装置采用热辐射的形式对悬臂型试样3进行加热。
33.步骤三、通过数据控制系统10控制激振装置采用原位电场诱导共振的激振方式使得悬臂型试样3振动，使得微纳尺度试样可以进行高周循环加载，而无需接触。采用激光多普勒测振仪对悬臂型试样3中试样共振疲劳试验部302靠近试样支撑部301一端和试样测振部303远离试样共振疲劳试验部302一端进行测试，并将测得的数据传送至数据控制系统
10，具体地，通过激光多普勒测振仪能够测得悬臂型试样3中试样共振疲劳试验部302靠近试样支撑部301一端的位移δ1和试样测振部303远离试样共振疲劳试验部302一端的位移δ2。
34.具体地，在步骤一中，将块状试样在sem下利用fib切削成棱柱型微尺度试样，用真空镊子将棱柱型微尺度试样放置在硅衬底2上，并利用粘合剂将棱柱型微尺度试样固定于硅衬底2上，此处使用的粘合剂为丙烯酸改性硅树脂粘合剂；再次利用fib将棱柱型微尺度试样的一端切削为悬臂梁，将棱柱型微尺度试样的另一端切削为试样支撑部301，使得悬臂梁的顶面与试样支撑部301的顶面齐平，悬臂梁位于试样支撑部301顶部一侧的中心处，本实施例中的试样支撑部301为矩形实心块；继续利用fib将悬臂梁靠近试样支撑部301的一端切削为试样共振疲劳试验部302，具体地，对悬臂梁靠近试样支撑部301的一端的y向的两侧和z向的底部进行切削，悬臂梁未被切削的远离试样支撑部301的另一端为试样测振部303，使得试样共振疲劳试验部302的顶面与试样测振部303的顶面齐平，使得试样共振疲劳试验部302的一端位于试样测振部303一侧的中部，试样共振疲劳试验部302的另一端位于试样支撑部301一侧的中部。
35.悬臂型试样3的一端保留矩形实心块状的试样测振部303来抑制试样的高谐振频率，并通过改变试样测振部303的大小能够准确调控试样整体的谐振频率，解决了高周疲劳测试中谐振频率不可控的问题。具体地，悬臂型试样3的谐振频率f0的计算公式为：
[0036][0037]
以上公式中，m为试样共振疲劳试验部302和试样测振部303的质量之和，e为悬臂型试样3的杨氏模量，w为试样共振疲劳试验部302的宽度，h为试样共振疲劳试验部302的厚度，l
g
为试样共振疲劳试验部302和试样支撑部301连接的一端与试样测振部303的重心之间的长度，由此可知，通过调整试样测振部303大小能够调整悬臂型试样3的谐振频率f0。
[0038]
具体地，在步骤二中，在叠层压电致动器1的顶面上设置样品托台15，将带有悬臂型试样3的硅衬底2通过粘合剂固定于样品托台15上，使用过程中对样品托台15进行冷却。此处的粘合剂为a
‑
氰基丙烯酸酯粘合剂。本实施例中的硅衬底2为5mm
×
5mm的方形硅衬底。
[0039]
具体地，激振装置包括对电极12和合成信号发生器13，对电极12与合成信号发生器13连接，合成信号发生器13与数据控制系统10连接，将对电极12设置于试样测振部303远离试样共振疲劳试验部302的一侧，通过合成信号发生器13在悬臂型试样3和对电极12之间施加一个叠加在直流偏置电压上的正弦交流小信号，通过调整正弦交流小信号的频率，当正弦交流小信号的频率与悬臂型试样3的机械共振频率相匹配时，悬臂型试样3会产生一个峰值共振振动。于本具体实施例中，对电极12采用尖端为钨的探针。
[0040]
具体地，激光多普勒测振仪包括激光发射器4、光电探测器5和振动控制器6，光电探测器5设置于激光发射器4的下部，激光发射器4和光电探测器5均与振动控制器6连接，振动控制器6与数据控制系统10连接，使用时激光发射器4发射激光束到悬臂型试样3的表面，光电探测器5将测得的数据通过振动控制器6传至数据控制系统10。本实施例中激光多普勒测振仪的可测频率范围为dc～2.5mhz，通过在光电探测器5上安装一个20倍的透镜，激光被缩小到大约10μm，这样足以高精度测量悬臂型试样3的振幅。
[0041]
具体地，非接触式加热装置包括加热头7、加热装置接口8、非接触式温度传感器和温度控制器9，加热头7包括两个安装板701和两个电加热丝702，两个安装板701设置于加热
装置接口8的同一侧，两个安装板701之间存在间隙且对称设置，各安装板701的内侧设置有一个电加热丝702，对悬臂型试样3加热时使得试样测振部303位于两个电加热丝702之间，试样测振部303与两个电加热丝702不接触，且两个安装板701位于同一水平面上，即两个安装板701沿y向依次分布，电加热丝702通过加热装置接口8与温度控制器9连接，非接触式温度传感器设置于加热装置接口8中，非接触式温度传感器用于测量试样测振部303表面的温度，非接触式温度传感器与温度控制器9连接，温度控制器9与数据控制系统10连接。通过数据控制系统10将设定的温度传至温度控制器9，非接触式温度传感器无需接触即可测得试样测振部303表面的温度并将其传至温度控制器9和数据控制系统10，温度控制器9比较测得的温度和设定的温度并对电加热丝702的功率进行调节以使得试样测振部303达到设定的温度，进而达到控制加热温度的目的。加热装置接口8远离加热头7的一侧设置有加热装置托台14，使用过程中对加热装置托台14进行冷却，进而避免整个非接触式加热装置过热。
[0042]
具体地，本实施例中的数据控制系统10与计算机连接，在计算机上进行操作并通过数据控制系统10将控制信号传至叠层压电致动器1、振动控制器6、合成信号发生器13和温度控制器9，即可以在计算机上设置测量的条件，数据控制系统10会将测量的条件转换为控制信号来实现对叠层压电致动器1、激光多普勒测振仪、激振装置和非接触式加热装置的控制。
[0043]
如图1所示，本实施例还提供一种微纳米材料与结构力热耦合高周疲劳试验装置100，包括叠层压电致动器1、激光多普勒测振仪、非接触式加热装置、激振装置和数据控制系统10，叠层压电致动器1、激光多普勒测振仪、非接触式加热装置和激振装置均与数据控制系统10连接，叠层压电致动器1用于驱动悬臂型试样3运动至测量的位置，非接触式加热装置用于对悬臂型试样3进行非接触式加热，激振装置用于激励悬臂型试样3振动，激光多普勒测振仪用于对悬臂型试样3进行测量。
[0044]
如图3所示，安装板701为弧形板，两个安装板701的凹面相对设置，电加热丝702设置于安装板701内侧远离加热装置接口8的一端，电加热丝702沿安装板701的长度方向延伸设置，电加热丝702为弧形加热丝，使用时，两个电热丝罩设于悬臂型试样3的试样测振部303的外部，进而避免影响悬臂型试样3的振动，避免对试验过程及结果造成影响；同时，对电极12位于两个安装板701之间。
[0045]
加热装置接口8远离加热头7的一侧设置有加热装置托台14，加热装置托台14中设置有第一冷却通道，加热装置托台14的同一侧设置有一个第一进水口和一个第一出水口，第一冷却通道的两端分别与第一进水口和第一出水口连接，在第一进水口上连接第一进水管，在第一出水口上连接第一出水管，由第一进水管通入冷却水即可进行冷却。
[0046]
如图4所示，叠层压电致动器1的顶面上设置有样品托台15，样品托台15中设置有第二冷却通道，样品托台15的同一侧设置有一个第二进水口和一个第二出水口，第二冷却通道的两端分别与第二进水口和第二出水口连接，在第二进水口上连接第二进水管16，在第二出水口上连接第二出水管17，由第二进水管16通入冷却水即可进行冷却。
[0047]
本实施例中还包括接线盒11，叠层压电致动器1、温度控制器9、合成信号发生器13和振动控制器6均通过接线盒11与数据控制系统10连接。
[0048]
由此可知，本实施例中利用激振装置激励试样振动，并用激光多普勒测振仪测振，采用非接触式加热装置，利用热辐射的方式对悬臂型试样3加热，避免影响悬臂型试样3的
振动，从而可以在原位测试中对微纳尺度试样进行无支撑衬底、无残余应力、无接触以及加热条件下的完全反向循环加载，从而完成微纳米材料与结构力热耦合高周疲劳试验，提升了试验结果的准确度。可见，通过本实施例中的试验方法及试验装置实现了微纳尺度试样的制备、转移、加热和测试，利用叠层压电致动器1、激光多普勒测振仪、激振装置和非接触式加热装置完成了微纳尺度试样在高温下的高周疲劳原位力学测试。
[0049]
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。