Способ испытания диэлектрических пленок и устройство для его осуществления Советский патент 1986 года по МПК G01N3/42 

емкости датчика 6 и связанного.с ним датчика 7. Эти емкости измеряют, сравнивают, определяют глубину внедрения индентора и с ее учетом, а также с учетом измерения силы вдавливания определяют твердость, диэлектрическую проницаемость, пористость, пластические, прочностные и вязкоупругие свойства диэлектрических пленок, 2 с.к. 7 з,п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к измерительн ой технике, а именно к определению свойств диэлектрических телено Цель изобретения - повышение информативности путем определения диэлектрической проницаемости5 пористости, прочностных и вязкоупругих свойств пленки, На чертеже представлено устройст во для испытания диэлектрических пленок. Устройство содержит электропроводную подложку 1 с размещенной на ней диэлектрической пленкой 2, индентор 3 с электропроводной поверхностью, узел 4 нагружения с силоизмерителем 5, выполненным, например, в виде электромеханического датчика силы, а также два емкостных датчика 6 и 7, общей обкладкой которых является подложка 1, а двумя другими обкладками - индентор 3 и жестко соединенная с ним диэлектрической п ремычкой 8 электропроводная пластина 9, расположенная над подложкой 1 в зоне вне пленки 2, измерительноинформационную систему 10, включающую блок 11 регистрации нагрузки, связанный G силоизмерителем 5, блоки 12 и 13 регистрации емкостей, связанные с датчиками 6 и 7, блок 14 сравнения емкостей, блок 15 регистрации временной зависимости изменения относительной диэлектрической проницаемости, блок 16 регистра ции глубины внедрения индентора И:, программное устройство 17, включающее блок 18Опорных напряжений и ус литель преобразователя 19, которое соединено с узлом 4 нагружений вкл чающим, кроме того, узел 20 для закручивайия индентора 3-вокруг оси. Устройство работает следухицим образом. Диэлектрическую пленку 2 помещают на электропроводную подложку 1, нагружают индентор 3 с помощью узла 4 нагружения по заданному программным устройством 17 закону, например с постоянной скоростью деформации. Силоизмерителем 5 в каждый момент времени измеряют силу нагружения. Сигнал с силоизмерит.еля 5 подают в блок 11 регистрации нагрузки измерительноинформационной системы 10. Одновременно при нагружении индентора 3 в блоки 12 и 13 регистрации емкостей измерительно-информационной системы 10 подают сигналы с емкостных датчиков 6 и 7, а блок 14 сравнения.измерительно-информационной системы 10 регистрирует и сравнивает эти сиг- налы. Сигнал управления о( (t) узлом 4 нагружения формируется блоком 18 опорных напряжений программного устройства 17 и через усилительпреобразователь 19 задает закон нагружения , Способ испытания диэлектрических пленок реализуется следующим образом. При вдавливании индентора в пленку измеряют силу вдавливания PCt)-, а также электрические емкости между индентором и подложкой с пленкой и воздушного зазора, зависящего от перемещения ин,цейтора, сравнивают эти емкости, по результатам сравнения определяют глубину внедрения индентора СР (t) и диэлектрическую проницаемость 6(t) и по полученным данным определяют пористость, твердость и другие механические характеристики пленки. Пористость пленки определяют по формуле бкН Бч- т где К - относительная объемная концентрация пор в пленке относительная диэлектричес кая проницаемость компактного материала. Твердость пленки определяют по о ношению нагрузки P(t) к остаточной глубине внедрения индентора о (t) после снятия нагрузки либо по отношению нагрузки P(t) к площади пластического отпечатка, определяемой по глубине внедрения индентора. Пластические и прочностные свойства определяют из диаграмм зависимостей Р(сУ) . Вязкоупругие свойства определяют из диаграмм зависимостей P(t) и (t), где t -время нагружения и вне рения индентора. Дизлектрическую проницаемость пр вдавливании плоского индентора определяют по формуле для плоского ко денсатора, а при вдавливании сфери, ческого индентора .по формуле АС t . 1 где АС - изменение емкости между индентором и подложкой; R - радиус индентора, м; h - толщина пленки, мсС - глубина внедрения индентора, м; &о электрическая постоянная 8,854-10 Ч/м. В некоторых случаях требуется управлять нагружением по сложному закону, зависящему от изменения одной из регистрируемых величин P(t), J(t)., ;:(t) , Для этого нагружение лндентора проводят по крайней мере дважды, причем при первом тестовом нагружении, например при монотонновозврастающей нагрузке, определяется характер изменения регистрируемы величин,, а затем проводятся последующие нагружения по закону o((t) в зависимости от изменения одной из этих величин, например в испытаниях на ползучесть при определенном уровне нагрузки P(t) const. При испытаниях представляет интерес определение механических свойств пленки (предела упругости, текучести прочности) при деформировании ее по сложному закону нагружения. Для этого индентор при йдавливании его в пленку одновременно закручивают вокруг оси. Для определения предела выносливости пленки, а также площади петли гистерезиса нагрузка-деформация при .чередующейся нагрузке и разгруке нагружение индентора проводят циклически, изменяя нагрузку по периодическому закону. . Диэлектрические пленки в общем случае материалы пористые, и концентрация пор в зоне вдавливания индентора изменяется. Однако при эксплуатации пленбк необходимо знать зако-. ны нагружения, при которых пористость их остается постоянной. Для этого процесс вдавливания плоского индентора в пленку проводят при постоянной величине отношения измеряемых емкостей. В этом случае сохраняется постоянным значение диэлектрической проницаемости пленки (t) под инд-ентором и, как следует из формулы для К, концентрация пор тоже будет постоянной. При испытаниях очень твердых диэлектрических пленок индентор в процессе испытаний деформируется вдоль оси приложения нагрузки, причем величина деформации становится сравнимой с толщиной пленки и ее необходимо учитывать при исследованиях свойств пленки. Для этого предварительно устанавливают величину воздушного зазора емкостного датчика 7 равной толщине пленки, нагружают индентор 3 до исчезнбвения воздушного зазора, т.е.- до касания электро проводной пластиной 9 подложки 1, и по величине емкости датчика 6 судят о величине деформации индентора 3. Формула изобретения 1. Способ испытания диэлектрических пленок, заключающийся в том, что пленку помещают на электропроводную подложку, нагружают индентор, вдавливают, его в пленку, определяют силу вдавливания, по величине которой определяют твердость, отличающийся тем, что, с целью повышения информативности, измеряют дополнительно электрическиеемкости между индентором и подложкой с пленкой и воздушного зазора, зависящего 5 от перемещения индентора, сравниваю их, определяют глубину внедрения индентора и с ее учетом определяют твердость,диэлектрическую проницаемость, пористость, пластические, прочностные и вязкоупругие свойства пленки, 2.Способ по п, 1, от л и ч аю щ и и с я тем, что нагружение проводят по крайней мере дваж,цы и по результатам первого нагружения осуществляют последующие нагружения в зависимости от измеряемых величин 3.Способ по п, 1, отличающийся тем, что при нагружении индентора одновременно его закручивают вокруг оси. 4.Способ по п. 1, о т л и ч аю щ и и с я тем, что, с целью определения усталостных свойств пленки, нагружение проводят циклически. 5.Способ по п, 1, о т л и ч аю щ и и с я тем, что нагружение проводят при постоянной величине от нощения измеренных емкостей. 6.Способ по п, 1, отличающийся тем, что, с целью повы шения точности за счет учета деформ .ции индентора, устанавливают воздуш ный зазор равным толщийе пленки, нагружение проводят до его исчезновения, определяют деформацию индентора и с ее учетом определяют харак теристики пленки. 7.Способ по п. 1, отличающийся тем, что при определен диэлектрической проницаемости при нагружении сферическим индентором ее определяют по формуле 8 ZTrRUi)fi-,i( где ДС - изменение емкости между индентором и подложкой; R - радиус индентора, м; h - толщина пленки, м; сГ - глубина внедрения индентора, м; электрическая постоянная 8,854- . 8. Устройство для испытания диэлектрических пленок, содержащее электропроводную подложку для размещения пленки, установленньш напротив нее индентор с электропроводной по верхностью, узел нагружения индентора и силоизмеритель, о т л и ч а щения информативности, оно снабжено диэлектрической перемычкой, жестко соединенной посредствомнее с индентором электропроводной пластиной, размещенной напротив подложки с возможностью регулировки воздушного зазора и о&разующей с ней емкостньй датчик, измерительно-информационный системой, соединенной с силоизмерителем, первым и вторым образованным индентором и подложкой с пленкой, емкостными датчиками и программным устройством, связанным с узлом нагружения . 9. Устройство по п. 8, о т л ичающееся тем, что узел нагружения включает узел для закручивания индентора вокруг оси.