CN104089812A - 一种用于对薄膜样品施加均匀应力的四点法装置 - Google Patents

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朱慧
刘琨
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Abstract

一种用于对样品施加均匀应力的四点法装置，属于压力加工技术领域。包括用于支撑整个装置的底座、标有固定刻度和可动刻度的旋钮、可上下移动的高度可调平台、反映加载力大小的压力传感器、实施加载力的上辊架和下辊台、用于支撑上辊架的支架、固定作用的螺钉；其特征在于通过旋钮调节高度可调平台向上移动，通过上辊架的两个上辊和下辊台的两个下辊对样品作用加载应力，且在下辊台的下辊之间的样品所受的应力均匀分布，使样品相对不易损坏，每次试验上辊架和下辊台的相对位置不变，不用重新布置，操作简单方便，试验效率高。

Description

一种用于对薄膜样品施加均匀应力的四点法装置
技术领域
本发明涉及一种用于对薄膜样品施加均匀应力的四点法装置，尤其是对半导体芯片和薄膜样品，属于压力加工设备技术领域。 
背景技术
由于材料在生长过程中会受到残余应力，器件封装时也会受到应力，为方便研究应力对样品性能的影响，因此发明一种用于对样品施加均匀应力的四点法装置。目前，对半导体芯片和薄膜样品施加机械应力的方法主要是三点法弯曲或者是直接压住样品。三点法弯曲一般是将样品放在有一定距离的两个支撑点上，在两个支撑点中点上方向样品施加向下的载荷，样品的3个接触点形成相等的两个力矩，但是对于半导体芯片或薄膜材料的应力分布不均匀，研究样品性能时会受到接触点所处位置的影响。而直接压住样品则会对样品造成损坏，影响样品的性能。 
发明内容
为了克服现有的技术存在的不足，本发明提供了一种用于对薄膜样品施加均匀应力的四点法装置，它使样品发生纯弯曲，更容易分析样品所受的应力，且不易损坏样品，实验操作简便，效率更高。 
本发明采用如下技术方案： 
一种用于对薄膜样品施加均匀应力的四点法装置，其特征在于，其包括旋钮1、下辊台2、上辊架3、螺钉4、样品5、高度可调平台6、压力传感器7、支架8和底座9，其中， 
上辊架3和支架8的数量各为两个，所述的支架8位于底座9上，上辊架3位于支架8的上端，两个支架8相对放置，高度可调平台6固定在两个支架8之间，下辊台2安装在高度可调节平台6上，下辊台2和高度可调节平台6之间连接有压力传感器7，压力传感器8与外接的数字显示器相连接；所述的上辊架3有两个上辊，所述的下辊台2有两个下辊，所述的样品5放在下辊台2与上辊架3之间；通过高度可调节平台6调节下辊和上辊之间的距离，从而调节加载在样品5上的压力的大小； 
所述的旋钮1用以调节高度可调节平台6的升降高度。 
所述的下辊台2、上辊架3、螺钉4、高度可调平台6、支架8和底座9的材质全为钢。 
所述的旋钮1上标有刻度，精度为0.02mm。 
所述的压力传感器7精度为0.1%，供电电压为直流电压12V，工作温度为-20℃-60℃。 
所述的压力传感器7位于高度可调平台6的中央。 
螺钉4将上辊架3固定在支架8上，螺钉4将支架8固定在底座9。 
所述的上辊架3的两个上辊之间的距离为22mm，下辊台2上两个下辊之间的距离8mm。 
所述的下辊台2底部中心有一个凹槽，可以与压力传感器7紧密接触，保证所测压力的准确性与稳定性。 
所述的样品5通过上辊架3和下辊台2的作用，样品5发生纯弯曲。 
本发明的有益效果是： 
（1）上辊架固定在支架上，支架固定在底座上，下辊台放在压力传感器上，位置也是固定的，所以上下辊之间的水平相对距离是固定的，计算应力的时候方便简单，不需要每次试验时都要重新布置。 
因此将样品台放置好便可以进行试验，操作方便可靠。 
（2）试验中，通过旋钮调节高度可调平台的高度，使下辊台上升，使上下辊之间的相对高度发生变化，当下辊的位置高于上辊时，样品发生弯曲且两下辊之间的样品为纯弯曲，只受到一个弯矩的作用，使样品所受的应力均匀分布，计算容易，且样品相对不容易损坏。三点法对样品施加压力，应力分布不均匀，试验结果会受到接触点所处位置的影响；直接对样品施加压力，样品容易损坏，该四点法弯曲实验装置成功的避免了以上问题，且能保证试验结果的准确性。 
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明： 
图1为本发明实施例的主视图； 
图2为本发明实施例的俯视图； 
图3为本发明实施例试验过程中加载应力时样品发生纯弯曲的状态示意图； 
图4为本发明实施例中样品的受力示意图； 
图5为本发明实施例中样品所受的力矩分布示意图； 
图中：1旋钮，2下辊台，3上辊架，4螺钉，5样品，6高度可调平台，7压力传感器，8支架，9底座。 
具体实施方式
如图1所示，本实施例是一种用于对薄膜样品施加均匀应力的四点法装置，包括用于调节高度可调平台6的旋钮1、应用四点法对样品5进行加载的下辊台2和上辊架3、用于将上辊架3固定在支架8上的螺钉4、用于反应加载力大小的压力传感器7和用于支撑和固定整个装置的底座9。 
所述的下辊台2放在压力传感器7上，压力传感器7的位置固定在高度可调平台6的中心，且压力传感器与外接的数字显示器相连接，用于显示加载的压力。 
所述的上辊架3的位置通过螺钉4固定在支架8的中间，螺钉4也将支架8固定在底座9上，底座9用于固定和支撑整个施力装置。 
所述的旋钮1可以调节高度可调平台6的高度，从而可以调节与固定在高度可调平台6上的压力传感器7相连接的下辊台2的高度。 
这样两个上辊架3之间的相对位置得到固定,且下辊台2的两个下辊与上辊架3的两个上辊的水平距离分别是固定的，不需要每次试验时重新布置，计算应力时应力的大小只与样品5的材料和加载力的大小有关，简化了计算过程。 
下辊台2在上辊架3的正下方，且下辊台2的两个下辊平行于上辊架3的两个上辊，两个下辊分别到两个上辊的水平距离相等。 
转动旋钮1将高度可调平台6的高度调到最低时，下辊台2的下辊和上辊架3的上辊在垂直方向上分离，用于将样品放在下辊台2上。 
试验时，将下辊台2放在压力传感器7上，使压力传感器7能够感应加载的力。 
将样品5放置在下辊台2上，调整好位置，调节旋钮1，使高度可调平台6向上移动，使上辊架3的上辊与样品5接触并开始施加试验力，由于上辊架3的两个上辊之间的距离大于下辊台的两个下辊之间的距离，所以下辊的位置可以高于上辊的位置，以便加载应力。 
当上辊架3的上辊接触样品后继续转动旋钮1，使高度可调平台6继续向上移动，下辊台2的下辊的位置高于上辊架3的上辊，样品5发生纯弯曲，如图3所示。 
样品5发生纯弯曲时，样品5的受力情况如图4所示，受到上辊架3的两个上辊对样品向下的两个力F 和下辊台2的两个下辊对样品向上的两个力F，样品5上的力矩分布如图5所示，下辊台2的两个下辊之间的样品的应力均匀分布。 
压力传感器的读数为F，上辊距离其最近下辊的水平距离为a,样品宽度为w，厚度为t，样品的基底弹性模量为E1，薄膜材料弹性模量为E2。根据胡克定律得应力σ=E2·ε。其中应变ε=t/2R，曲率半径1/R=Mz/(Iz·E1)，弯矩Mz=(F/2)·a，转动惯量Iz=wt3/12,全部带入胡克定律得σ=3FaE2/(wt2E1)。 
将力F带入公式σ=3FaE2/(wt2E1)即可算得对样品施加应力的大小。 
上述的通过上辊架3的两个上辊和下辊台2的两个下辊的加载方式小于常规的三点法因应力集中或直接压样品而使样品5损坏的概率，且能保证试验加载应力的准确性，从而保证实验结果更真实可靠。 

Claims (9)

1.一种用于对薄膜样品施加均匀应力的四点法装置，其特征在于，其包括旋钮（1）、下辊台（2）、上辊架（3）、螺钉（4）、样品（5）、高度可调平台（6）、压力传感器（7）、支架（8）和底座（9），其中， 
上辊架（3）和支架（8）的数量各为两个，所述的支架（8）位于底座（9）上，上辊架（3）位于支架（8）的上端，两个支架（8）相对放置，高度可调平台（6）固定在两个支架（8）之间，下辊台（2）安装在高度可调节平台（6）上，下辊台（2）和高度可调节平台（6）之间连接有压力传感器（7）与外接的数字显示器相连接；所述的上辊架（3）有两个上辊，所述的下辊台（2）有两个下辊，所述的样品（5）放在下辊台（2）与上辊架（3）之间；通过高度可调节平台（6）调节下辊和上辊之间的距离，从而调节加载在样品（5）上的压力的大小； 
所述的旋钮（1）用以调节高度可调节平台（6）的升降高度。 
2.根据权利要求1所述的一种用于对薄膜样品施加均匀应力的四点法装置，其特征在于，所述的下辊台（2）、上辊架（3）、螺钉（4）、高度可调平台（6）、支架（8）和底座（9）的材质全为钢。 
3.根据权利要求1所述的一种用于对薄膜样品施加均匀应力的四点法装置，其特征在于，所述的旋钮（1）上标有刻度，精度为0.02mm。 
4.根据权利要求1所述的一种用于对薄膜样品施加均匀应力的四点法装置，其特征在于，所述的压力传感器（7）精度为0.1%，供电电压为直流电压12V，工作温度为-20℃-60℃。 
5.根据权利要求1所述的一种用于对薄膜样品施加均匀应力的四点法装置，其特征在于，所述的压力传感器（7）位于高度可调平台（6）的中央。 
6.根据权利要求1所述的一种用于对薄膜样品施加均匀应力的四点法装置，其特征在于，螺钉（4）将上辊架（3）固定在支架（8）上，螺钉（4）将支架（8）固定在底座（9）。 
7.根据权利要求1所述的一种用于对薄膜样品施加均匀应力的四点法装置，其特征在于，所述的上辊架（3）的两个上辊之间的距离为22mm，下辊台（2）上两个下辊之间的距离8mm。 
8.根据权利要求1所述的一种用于对薄膜样品施加均匀应力的四点法装置，其特征在于，所述的下辊台（2）底部中心有一个凹槽，可以与压力传感器7紧密接触，保证所测压力的准确性与稳定性。 
9.根据权利要求1或2所述的一种用于对薄膜样品施加均匀应力的四点法装置，其特征在于，所述的样品（5）通过上辊架（3）和下辊台（2）的作用，样品（5）发生纯弯曲。 
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