导电薄膜热膨胀系数实时测试系统

    0　引　言

    薄膜材料由于尺度效应及表面效应,其性质往往与块体材料有较大差别,而目前有关热膨胀系数的测试方法大多只适用于块体材料,虽然近年来发展了一些针对薄膜材料的测试方法,但通常并不具有普适性。这些方法或只适用于某些材料,如X光衍射法要求被测对象必须是晶体结构;或测试过程繁琐,对测试仪器要求高,如一些MEMS测试仪,并且因最终结果采用机械量输出而不能满足在线测试的要求[1-3]。因此,作者开发了一种薄膜热膨胀系数(测量的是线膨胀系数,下同)的在线实时测试系统,它能在线采集图像并采用数字图像相关方法(DICM)进行实时数据处理。该方法具有非接触、全场测量、灵敏度高以及测试变形范围较大等特点,还可以使整个测试过程完全自动化,具有精度高、现场测量、实时显示等优点。尤其重要的是,和其他热膨胀系数测定方法相比,它可以测定任意温度下的热膨胀系数。

    半导体氧化物由于其导电率接近金属,具有良好的导电特性,所以广泛用作薄膜太阳能电池的电极。与常用的电极材料相比,SnO2薄膜具有更高的理论体积容量及更低的质量容量,被认为是现代微型薄膜电池电极的首选材料[4]。为了进一步验证此方法的可行性,作者利用SnO2薄膜的电热特性,测量了由常温(24℃)到70℃时其热膨胀系数的变化规律以及薄膜与陶瓷基体之间应力的变化情况。

     1　工作原理

     DICM是近些年来发展较快的一种光学测试方法,它通过比较变形前后物体表面图像的相关性来获得位移、应变等力学量信息,因其对试验条件要求低,光路简单、易于操作、对测试对象无损伤而被广泛应用在宏、细观的力学测试中[5]。尤其是在其他力学测试手段难以达到精度要求或者根本无法实现的微细观领域,该方法更能显示出独特的优越性。其基本测量过程是,由CCD摄像机记录被测物体变形前后的表面形貌图像,在变形前的图像中选取一区域,通过数字图像的识别计算过程来搜索变形后的图像中与之对应的区域,计算的依据就是两个区域的相关性,相关系数最大的区域就是要寻找的目标,从而得到位移信息。设f(x,y),g(x*,y*)分别表示物体变形前后图像的灰度值,则定义相关系数C如下。

    式中:u,v分别为x,y方向的位移; u x, v y, u y, v x分别为x,y方向的正应变及切应变;-f,-g分别为物体变形前后图像的灰度平均值。令 u x=εxx、 v y=εyy,εxx,εyy分别为x与y方向的线应变,按下式计算 每一温度下的热膨胀系数α:

式中:ΔT为温度变化量;n表示x或y方向。因薄膜与基体之间热膨胀系数不同导致降温过程中发生残余应力。在层状结构中如果上表面的薄膜材料具有比下层基体材料低的热膨胀系数,那么在降温的过程中,上表面将处于压缩状态;相反则上表面将处于拉伸状态。力的平衡可以表示为