基于太赫兹波的金属薄膜应力测试方法

1.本发明属于利用太赫兹测量金属薄膜力学性能技术领域，尤其涉及一种基于太赫兹波的金属薄膜应力测试方法。


背景技术：

2.金属薄膜不能独立存在，通常需要沉积于各种刚性或者柔性基底上，由于金属薄膜和基底的热膨胀系数不同，沉积得到的金属薄膜内部会存在残余应力，另外当柔性膜基结构经受弯曲，拉伸等外加荷载时，金属薄膜内部会产生各种外加应力。残余应力和外加应力会影响金属薄膜的直流电导率，而直流电导率在很大程度上决定了金属薄膜的性能。然而，对于金属薄膜的非接触应力测试还未见专用设备，现有的测试设备会在一定程度上破坏金属薄膜且操作复杂，测量效率低下。


技术实现要素：

3.为了至少在一定程度上克服上述技术问题中的一部分，本发明提出了一种基于太赫兹的金属薄膜的应力测量方法，其特征在于，包括以下步骤：根据膜基试样预估参数调节设定太赫兹光源和测试环境条件；向聚合物试样表面的无膜区域和有膜区域分别发射太赫兹波；根据无膜区域的透射波和一次回波信号精确测量基底的太赫兹波段折射率；根据有膜区域透射波和无膜区域透射波测量金属薄膜的直流电导率，重复上述测量过程以获得不同应力状态下的多组金属薄膜直流电导率；根据得到的应力-电导率关系曲线和受力前后金属薄膜的直流电导率变化计算获得所述金属薄膜试样的应力值。
4.进一步，所述应力-电导率关系曲线根据下述步骤获得：将金属薄膜-基底试样置于设置好的测试环境中；在试样处于未加载的自然状态下测量试样上无膜区域的基底材料的太赫兹波段折射率，进而测量有膜区域的金属薄膜的直流电导率；对试样逐步加载并通过应力传感器测量试样的应力；测量不同加载条件下的金属薄膜的直流电导率；根据试样的不同应力所对应的直流电导率绘制应力-电导率关系曲线；在金属薄膜的线弹性阶段，计算其应力-电导率系数；根据金属薄膜的应力-电导率系数和受力前后金属薄膜的直流电导率变化计算金属薄膜试样的应力值。
5.进一步，所述测试环境的相对湿度小于等于1％。
6.进一步，所述太赫兹波的有效频率范围为大于等于0.2thz并且小于等于2.5thz，信噪比大于等于60db。
7.根据本发明的测试方法的有益效果包括但不限于，可以在不损坏并且不接触待测的易损耗的金属薄膜的情况下实现无损无接触实时快速检测，从而实现动态观测检测，无需使用诸如应变片等测试耗材并且对测试操作要求较低。
附图说明
8.通过结合以下附图所作的详细描述，本发明的优点将变得更清楚和更容易理解，
但这些附图只是示意性的，并不限制本发明的保护范围，其中：
9.图1示出了自然状态下和拉伸加载条件下的太赫兹入射波、投射波以及回波。
具体实施方式
10.下面结合具体实施例及其附图，对本发明所述技术方案进行详细说明。在此记载的实施例为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思；这些说明均是解释性和示例性的，不应理解为对本发明实施方式及本发明保护范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本技术权利要求书及其说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案。应当理解的是，除非特别予以说明，为了便于理解，以下对本发明具体实施方式的描述都是建立在相关设备、装置、部件等处于原始静止的未给与外界控制信号和驱动力的自然状态下描述的。
11.如图1所示，对于处于自然状态下未受到外界加载的金属薄膜-聚合物基底试样而言，其基底为101，金属薄膜为102，入射的太赫兹波103在无膜区域一部分直接透过基底后形成为基底透射太赫兹波104，另一部分经过一次内部反射后形成一次回波105，在有膜区域直接透过膜基后形成为膜基透射太赫兹波106，相比之下，处于拉伸加载状态下的膜基试样，基底形变后如试样107的形状那样，薄膜形变后如试样108的形状那样，并且透射通过试样107和试样108后的基底透射太赫兹波109和一次回波110以及膜基透射太赫兹波111也分别与自然未加载状态下的信号存在差异。其中可选的待测试样为各类高导电性金属薄膜以及各类基底材料，金属薄膜在受力之后材料本身的直流电导率会随应力变化，并且这一直流电导率变化一般是线性的，直流电导率发生变化后，太赫兹波穿过这一试样的太赫兹信号就会发生变化。并且，试件受应力作用后，基底材料的折射率同样会发生变化，为了得到更准确的金属薄膜直流电导率测量值，应在每一受力状态下都进行基底的折射率测量。此外，外力同样会引起薄膜和基底材料厚度的变化，图1以受拉应力为例，此时薄膜和基底均变薄，厚度变化分别为为δd1和δd2，在材料所受应力已知的情况下δd1和δd2可以根据待测材料的已知弹性模量和泊松效应计算得到，因此材料厚度变化的影响可以消除，根据太赫兹波穿过受力后的试样得到的基底透射信号和一次回波信号以及膜基透射信号，可以得到待测金属薄膜在这一应力状态下的直流电导率，进而根据金属薄膜的应力-电导率系数得出应力。这一方法首先采用自参考的方法计算基底材料的折射率，然后利用基底透射信号以及膜基透射信号的对比计算得到了金属薄膜直流电导率，提高了测量精度。采用太赫兹技术测量应力相对于传统的接触式方法具有显著优势，传统接触式方法会在一定程度上破坏金属薄膜，基于太赫兹技术的金属薄膜应力测量方法可以对易损的金属薄膜材料进行非接触表征。另外，x射线衍射在某些情况下也可用于金属薄膜的应力测量，但是这种方法大多用于残余应力的测量，而基于太赫兹的测量方法可以对外加应力进行测量，只要金属薄膜处于线弹性阶段，即可采用本方法进行应力测量。
12.在step.1中根据待测试样确定扫描时间长度等各项操作设置。
13.在step.2中确定光斑大小，能量等各项系统设置，并保证此时的系统状态与测量应力-电导率率曲线时实验系统的参数相同，减小系统误差。
14.在step.3中对未知应力的试样进行实验，获得对应的基底透射波，一次回波和膜
基透射波的时域信号，并进而计算出金属薄膜的直流电导率。
15.在step.4中重复step.3中的实验过程，进行对此测量直流电导率的实验，对多次所得数据取平均值，进一步提高系统的测量精度，减小随机误差。
16.在step.5中根据之前获得的对于待测材料的应力-电导率曲线或者材料的应力-电导率系数，将step.4获得的未知应力的金属薄膜的直流电导率带入应力-电导率曲线中，查看此直流电导率对应的应力数值，即为待测金属薄膜所受应力。
17.在以上步骤中，绘制应力-电导率曲线，对于直流电导率随应力线性变化的材料，计算出应力-电导率系数，即应力-电导率曲线的斜率，进一步具体而言包括以下步骤：
18.在step.a中根据待测试样确定光斑大小，能量等各项系统设置，并且需要确定扫描时间长度等操作设置。
19.在step.b中对不受力的试样进行实验，获得对应的基底透射波，一次回波和膜基透射波的时域信号，并进而计算出金属薄膜的直流电导率。
20.在step.c以及step.d中对待测试样逐步加载，每步加载后测量其金属薄膜直流电导率，并记录每步加载后金属薄膜所受的应力值，以及此时直流电导率数值。
21.在step.e中根据上一步的到的每一应力状态下的应力以及直流电导率，绘制应力-电导率曲线，对于直流电导率随应力线性变化的材料，计算出应力-电导率系数，即应力-电导率曲线的斜率。
22.进一步的，根据聚合物薄膜材料的特性，所述测试环境的相对湿度小于等于1％，并且所述太赫兹波的有效频率范围为大于等于0.2thz并且小于等于2.5thz，信噪比大于等于60db。
23.本说明书的附图为示意图，辅助说明本发明的构思，示意性地表示各部分的形状及其相互关系。应当理解的是，为了便于清楚地表现出本发明实施例的各部件的结构，各附图之间并未按照相同的比例绘制，相同的参考标记用于表示附图中相同的部分。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
24.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。