CN107192897B - 一种压电半导体薄膜极化实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压电半导体薄膜极化实验装置，包括柜体，在柜体的顶部设有沿竖直方向设置的左导向柱和右导向柱，在左导向柱和右导向柱之间的柜体顶部固定有加热板和第一电机，所述第一电机的转轴竖直向上设置且设有外螺纹，在加热板上放置有石英玻璃管；在石英玻璃管上方设有承载板，所述第一电机的转轴穿过承载板且与承载板螺纹连接，承载板的左右两端分别与左导向柱和右导向柱滑动连接；在承载板的底部固定有极化夹具；实现了一种可实现变温、安全、易于操作的真空环境下的压电半导体薄膜极化实验装置。
Description
技术领域
本发明属于压电半导体薄膜材料的极化技术领域，特别是涉及一种压电半导体薄膜极化实验装置。
背景技术
压电半导体薄膜材料是近年来新兴的一种重要的智能材料。压电半导体同时具备压电效应和半导体特性之特点，具有高热导率、高电子饱和、高漂移速度和大临界击穿电压等优点，成为研制高频大功率、耐高温、抗辐照半导体微电子器件和电路的理想材料，而薄膜作为小尺度器件的基础材料，在航空航天、军事、卫星通信、汽车等领域内的微电子器件制造方面有着广泛的应用前景。随着压电半导体薄膜应用性扩大，对压电半导体微电子器件的性能及功能要求越来越高，研制压电常数更大，机械强度更高的新型复合压电微电子器件成为当务之急。
压电半导体薄膜材料在人工极化前晶粒有许多自发极化的电畴，有一定的极化方向，但在晶粒内部无序杂乱的分布，极化相应相互抵消，整体极化强度为零，对外不显示压电效应。只有采用适当的极化手段，对压电半导体薄膜材料进行充分极化，使材料内各向异性的多畴结构随强电场走向排列，极性一致，从而表现出宏观的压电性能。在极化处理时，将样品加热到一定温度，有利于样品在较低电压下达到饱和极化强度从而降低在高压下的安全隐患，而且极化真空环境可以降低周围环境对极化工艺的影响并大大降低极化放电的程度。极化后具有剩余极化强度, 成为各向异性体, 具有压电效应。极化后的压电半导体薄膜材料的压电、介电、弹性性能与极化程度有关。要充分挖掘其压电性能, 必须采用最佳极化条件, 即选定合适的极化电场、极化温度和极化时间进行极化。
目前己有的极化装置都是针对压电陶瓷进行极化的，压电陶瓷为介电材料，压电半导体为具有压电效应的半导体材料，和压电半导体薄膜材料有本质区别。然而，目前并没有一款针对压电半导体薄膜材料的极化装置，不能满足压电半导体薄膜生产需要和研究需要。而且，目前的装置功能较单一，一般为裸露在空气中极化，安全性差，没有集成加热系统，往往使用加热炉作为配套装置，难以适用于实验室和企业研发中试等场所的要求。因此研制一种可实现变温、可真空、安全、易于操作的压电半导体薄膜极化实验装置势在必行。
发明内容
本发明在于提供一种可实现变温、安全、易于操作的真空环境下的压电半导体薄膜极化实验装置；
本发明为达到上述目的所采取的技术方案是：一种压电半导体薄膜极化实验装置，包括柜体，在柜体的顶部设有沿竖直方向设置的左导向柱和右导向柱，在左导向柱和右导向柱之间的柜体顶部固定有加热板和第一电机，所述第一电机的转轴竖直向上设置且设有外螺纹，在加热板上放置有石英玻璃管，石英玻璃管与加热板之间设有下密封圈；在石英玻璃管上方设有承载板，石英玻璃管与承载板之间设有上密封圈，所述第一电机的转轴穿过承载板且与承载板螺纹连接，承载板的左右两端分别与左导向柱和右导向柱滑动连接；在承载板的底部固定有极化夹具，所述极化夹具与石英玻璃管内部位置相对应，在极化夹具的底部固定有负极铜板，在负极铜板上固定有聚四氟乙烯薄膜，穿过承载板密封滑动连接有金属导杆，在金属导杆的顶部安装有聚四氟乙烯螺母，正极高压输入电缆连接在聚四氟乙烯螺母内部的金属导杆上，在金属导杆的底部固定有正极极化压头，正极极化压头位于聚四氟乙烯薄膜的正上方；在承载板上固定有第二电机，所述第二电机的转轴竖直向上设置且设有外螺纹，在第二电机的转轴上螺纹连接有横板，横板的一端与金属导杆的顶部固定连接，横板的另一端与游标卡尺结构连接，在柜体内固定有用于石英玻璃管抽真空的真空泵。
优选的，在左导向柱和右导向柱顶端之间固定有配件室，在配件室内设有高压输入端、接地端、高压输出端、第一电机开关、第二电机开关、第一电机正反转控制开关、第二电机正反转控制开关，在柜体内固定有高压电源、用于控制加热板的加热控制器；所述高压输入端与正极极化压头电性连接，高压输出端与负极铜板电性连接，在配件室内高压输出端与大地端电性连接。
优选的，所述游标卡尺结构包括竖直设置的主尺和滑动副尺，所述横板的另一端与滑动副尺固定连接。
优选的，所述第二电动机为步进电机，所述游标卡尺结构为数显式游标卡尺，所述游标卡尺结构将滑动副尺的位移信号传输给第二电动机的控制器而对第二电动机形成闭环控制。
优选的，所述正极极化压头的底部为波浪形或栅格形。
本发明所具有的有益效果为：
1、本发明可实现压电半导体薄膜的极化，通过施加高压可使压电半导体薄膜材料内部电畴一致性偏转，达到饱和极化。
2、本发明中针对压电半导体材料性质设计了极化夹具，设置了负极铜板、聚四氟乙烯薄膜及极化压头下部真空空间的夹心结构，可对压电半导体薄膜实施有效的极化工艺。在极化处理时，将压电半导体薄膜样品加热到一定温度，有利于样品在较低电压下达到饱和极化强度从而降低在高压下的安全隐患，而且极化真空环境可以降低周围环境对极化工艺的影响并大大降低极化放电的程度。极化后具有剩余极化强度, 成为各向异性体, 具有压电效应。
3、可以实现对不同压电半导体薄膜的材料、尺寸、电场的样品一次装夹，同步极化，确保具有较好的极化一致性。
4、设计极化真空环境，任意调整极化真空度，有利于极化工艺的调整和优化，并可以大大降低周围环境变化对极化工艺的影响，并大大降低极化放电的程度，提高极化工艺的一致性。
5、设置了加热控制装置，将样品加热到一定温度，有利于样品在较低电压下达到饱和极化强度从而降低在高压下的安全隐患，使用热电偶温度计采集密封腔的温度，采用加热控制器即温控仪实现 300 ℃以内的温度测量和控制，并有保持恒温的功能，显示温度。
6、本发明设计了极化夹具提升和游标卡尺数显联动装置，可以精准控制极化夹具与压电半导体薄膜之间的极化距离，使得极化工艺参数更加精确和一致。
7、本发明设计了金属导杆连接聚四氟乙烯螺母，极化中可根据极化样品的尺寸、型号要求更换极化压头，可实现国标规定的系列尺寸试件极化以及非标试件的极化。
8、本发明设计了第一电机和第二电机，分别带动整体承载板及极化夹具升降，实现了极化高度参数的精确控制，由于极化温度较高，电机带动将极化夹具升出极化室后，取出压电半导体薄膜，降低了操作者安全隐患。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步描述。
如图1所示，本发明包括柜体20，在柜体20的顶部设有沿竖直方向设置的左导向柱27和右导向柱13，在左导向柱27和右导向柱13之间的柜体20顶部固定有加热板18和第一电机14，加热板18的安装有多种方式，如图1所示可以为安装在凹槽内，凹槽焊接在柜体20顶部内，所述第一电机14的转轴11竖直向上设置且设有外螺纹，在加热板18上放置有石英玻璃管23，石英玻璃管23与加热板18之间设有下密封圈21；在石英玻璃管23上方设有承载板12，石英玻璃管23与承载板12之间设有上密封圈26，所述第一电机14的转轴11穿过承载板12且与承载板12螺纹连接，承载板12的左右两端分别与左导向柱27和右导向柱13滑动连接，在承载板12的底部固定有极化夹具29，所述极化夹具29与石英玻璃管23内部位置相对应，在极化夹具29的底部固定有负极铜板22，在负极铜板22上固定有聚四氟乙烯薄膜24，穿过承载板12密封滑动连接有金属导杆25，在金属导杆25的顶部安装有聚四氟乙烯螺母，正极高压输入电缆连接在聚四氟乙烯螺母内部的金属导杆25上，在金属导杆25的底部固定有正极极化压头17，正极极化压头17位于聚四氟乙烯薄膜24的正上方；在承载板12的上方固定有第二电机28，所述第二电机28的转轴5竖直向上设置且设有外螺纹，在第二电机28的转轴5上螺纹连接有横板4，横板4的一端与缘导杆25的顶部固定连接，横板4的另一端与游标卡尺结构连接，在柜体20内固定有用于石英玻璃管23抽真空的真空泵15。
在左导向柱27和右导向柱13顶端之间固定有配件室，在配件室内设有高压输入端3、接地端2、高压输出端1、第一电机开关6、第二电机开关30、第一电机正反转控制开关7、第二电机正反转控制开关8，在柜体20内固定有高压电源19、用于控制加热板18的加热控制器16；所述高压输入端3与正极极化压头电性连接，在配件室内高压输出端1与大地端电性连接，高压输出端1与负极铜板22电性连接。
在极化的时，为了精确控制正极极化压头17与放置在聚四氟乙烯薄膜24上的压电半导体薄膜的距离，所述游标卡尺结构包括竖直设置的主尺9和滑动副尺10，所述横板4的另一端与滑动副尺10固定连接，从而通过滑动副尺10在主尺9上移动的位移控制正极极化压头17与压电半导体薄膜的距离。
进一步为了实现半自动话，所述第二电动机28为步进电机，所述游标卡尺结构为数显式游标卡尺，所述游标卡尺结构将滑动副尺10的位移信号传输给第二电动机28的控制器而对第二电动机28形成闭环控制。
为了产生均匀的极化电场，所述正极极化压头17的底部为栅格形。
本发明在使用时，首先旋转第一电机正反转控制开关7，让承载板12上升同时带动极化夹具29离开石英玻璃管23，然后旋转第二电机正反转控制开关8，让金属导杆25上升同时带动正极极化压头17离开极化夹具29，将压电半导体薄膜放置在聚四氟乙烯薄膜24上；旋转第一电机正反转控制开关7让承载板12压紧在石英玻璃管23顶部，打开加热控制器16，加热板18开始对石英玻璃管23内部加热，启动真空泵15将石英玻璃管23抽真空；旋转第二电机正反转控制开关8根据极化要求调整正极极化压头17与放置在聚四氟乙烯薄膜24上的压电半导体薄膜的距离，最后接通高压电源19进行极化，极化结束后，反向步骤取出压电半导体薄膜即可。
如果本文中使用了“第一”、“第二”等词语来限定零部件的话，本领域技术人员应该知晓：“第一”、“第二”的使用仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，如没有另外声明，上述词语并没有特殊的含义。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (2)
1.一种压电半导体薄膜极化实验装置，其特征在于，包括柜体，在柜体的顶部设有沿竖直方向设置的左导向柱和右导向柱，在左导向柱和右导向柱之间的柜体顶部固定有加热板和第一电机，所述第一电机的转轴竖直向上设置且设有外螺纹，在加热板上放置有石英玻璃管，石英玻璃管与加热板之间设有下密封圈；在石英玻璃管上方设有承载板，石英玻璃管与承载板之间设有上密封圈，所述第一电机的转轴穿过承载板且与承载板螺纹连接，承载板的左右两端分别与左导向柱和右导向柱滑动连接；在承载板的底部固定有极化夹具，所述极化夹具与石英玻璃管内部位置相对应，在极化夹具的底部固定有负极铜板，在负极铜板上固定有聚四氟乙烯薄膜，穿过承载板密封滑动连接有金属导杆，在金属导杆的顶部安装有聚四氟乙烯螺母，正极高压输入电缆连接在聚四氟乙烯螺母内部的金属导杆上，在金属导杆的底部固定有正极极化压头，正极极化压头位于聚四氟乙烯薄膜的正上方；在承载板上固定有第二电机，所述第二电机的转轴竖直向上设置且设有外螺纹，在第二电机的转轴上螺纹连接有横板，横板的一端与金属导杆的顶部固定连接，横板的另一端与游标卡尺结构连接，在柜体内固定有用于石英玻璃管抽真空的真空泵；
在左导向柱和右导向柱顶端之间固定有配件室，在配件室内设有高压输入端、接地端、高压输出端、第一电机开关、第二电机开关、第一电机正反转控制开关、第二电机正反转控制开关，在柜体内固定有高压电源、用于控制加热板的加热控制器；所述高压输入端与正极极化压头电性连接，高压输出端与负极铜板电性连接，在配件室内高压输出端与大地端电性连接；
所述游标卡尺结构包括竖直设置的主尺和滑动副尺，所述横板的另一端与滑动副尺固定连接；所述正极极化压头的底部为栅格形。
2.根据权利要求1所述的压电半导体薄膜极化实验装置，其特征在于，所述第二电机为步进电机，所述游标卡尺结构为数显式游标卡尺，所述游标卡尺结构将滑动副尺的位移信号传输给第二电机的控制器而对第二电机形成闭环控制。
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
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Effective date of registration: 20220106 Address after: 450000 incubator 1, science and Technology Park, Henan National University, No. 11, Changchun Road, high tech Industrial Development Zone, Zhengzhou, Henan 717 Applicant after: Henan ganlian Intelligent Technology Co.,Ltd. Address before: No. 100, Kexue Avenue, high tech Development Zone, Zhengzhou City, Henan Province Applicant before: Zhengzhou University |
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| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Qin Guoshuai Inventor after: Fan Cuiying Inventor before: Qin Guoshuai Inventor before: Fan Cuiying Inventor before: Xu Guangtao Inventor before: Zhao Minghao |
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| GR01 | Patent grant | ||
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