CN108519402B - 激光法测量超薄玻璃再热线收缩率的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了激光法测量超薄玻璃再热线收缩率的装置和方法，包括：L型架体、加热炉、激光传感器、石英支架、石英棒和石英杆等；L型架体的竖架上安装有调整加热炉上下位置的电动升降机构，L型架体的竖架顶部安装有调整激光传感器的XYZ三维移动平台；测试时，将玻璃试样安放在专用石英支架内，石英支架放入加热炉里，由激光传感器实时监测玻璃试样加热前后的长度收缩变化量，与玻璃试样原长相除，即可得到玻璃试样的再热线收缩率。本发明使用高精度激光传感器实时监测，避免了划线法等人为操作引入的误差和显微镜观察精度低的问题，为测量≤10ppm的低收缩变化率的超薄玻璃提供了相对简单易行的试验方法和装置。

Description

激光法测量超薄玻璃再热线收缩率的装置和方法
技术领域
本发明涉及玻璃再热线收缩率测试技术领域，尤其涉及激光法测量超薄玻璃再热线收缩率的装置和方法，可满足基于LTPS制程工艺用LCD/OLED显示用玻璃基板再热线收缩率的测量。
背景技术
超薄玻璃是指厚度小于1.1mm的平板状玻璃，其中一个重要应用领域为电子显示产品。随着LCD/OLED显示产品向高分辨率方向发展，利用低温多晶硅技术(LowTemperature Poly-silicon，LTPS)制备的TFT，使LCD/OLED显示产品具有高分辨率、反应速度快、亮度高、开口率大等优点。
LTPS工艺是对沉积在玻璃基板表面的非晶硅(a-Si)进行热处理，使其转化成多晶硅(Poly-silicon，p-Si)，其电子迁移速率提高100倍以上。制备p-Si工艺分为温度范围在550-600℃的“低温工艺”和温度低于450℃的“超低温度工艺”，这两种工艺被简称为600℃工艺和450℃工艺。这些高温处理及在硅层上反复多次高温光刻，会导致玻璃基板因受热导致产生不可逆收缩变形，致使显示器的上基板与下基板在合片/成盒时，出现像素点位置偏移，呈现永久漏光或黑点，造成显示器疵点，影响显示面板质量。
随着显示产品向高分辨率(400-600ppi，ppi，pixels per inch)发展，要求满足LTPS制程的玻璃基板热收缩率必须从20-40ppm降低到10ppm以下，才不会产生显示质量缺陷。为消除玻璃基板尺寸收缩带来的影响，需要通过实验装置测量热处理过程中玻璃基板的再热线收缩率。
目前，测量玻璃热收缩的方法主要包括：密度法、拉丝法、膨胀仪法和比长法。
专利号为CN105403589 A采用了密度法测量非晶态材料的收缩率。该方法以立方体为模型，根据试样加热前后体积发生变化，在质量不变情况，密度发生变化，借助阿基米德法原理，从而得到非晶态材料的收缩率。这种方法的模型建立在立方体基础，所以，仅适合近似块体的非晶材料，不适合片状材料或超薄玻璃制品，且精度相对较低，仅有50ppm，不能满足LTPS制程工艺的玻璃基板的再热线收缩率的测量要求。
专利号为CN105527313 A采用了拉丝法测量玻璃的收缩率。该方法将玻璃熔融拉成丝状，放在带有刻度的V型槽里，采用显微镜观察加热前后的收缩量。拉丝法过程繁复，成本高，并且玻璃经过加热拉丝，完全改变了玻璃原有热历史，造成其热历史和结构松弛状态发生巨大改变，即使能够测量出结果，但该结果与LTPS所要的线收缩率完全不同，因此不适用于已经成型的基板玻璃的热收缩率测量，且测量精度受限于显微镜精度，不能满足测量玻璃基板的再热线收缩率的要求。
中国专利CN105301042A利用推杆法膨胀仪测试电子平板玻璃收缩率。使用该方法测量时，膨胀仪的推杆压头作用力高达1N以上，因此对于厚度≤1.1mm玻璃试样容易受推杆压头挤压变形、翘曲、断裂，影响玻璃在再热过程的微小变化的测量，并且所采用的机械长度传感器和电磁长度传感器的精度也不高，因而该方法也不适用于超薄玻璃热收缩测量。
中国专利CN103454302 A采用比长法测量玻璃收缩率。该方法是将玻璃试样沿纵向分成两部分，分别用显微镜测量加热和未加热的部分，比较两者的长度差值，计算出收缩率。这种方法使用砂纸进行划线，划线粗细和质量直接影响测量精度，人为引入的误差太大，且随着放大倍数的增加，显微镜也会引入测量误差，并且现有显微镜的识别精度仅能达1μm，对于满足LTPS的玻璃基板的收缩变化，需要识别0.25μm测量精度，致使该方法测量重复性偏低，测量偏差相对较大，同时也存在操作困难等问题。
发明内容
为了克服现有技术中测量玻璃收缩率精度差、操作困难、人为引入误差等问题，本发明提出激光法测量超薄玻璃再热线收缩率的装置和方法，将玻璃试样放于管式加热炉的匀温场内，确保玻璃试样受热均匀；采用高精度激光传感器实时测量玻璃，测量精度高；同时，玻璃试样无需划线和称量，不会人为引入误差；当玻璃试样初始长度L0为300mm时，可使收缩率测量精度达到1ppm，能满足当前的LTPS制程工艺和检测需求。
为实现上述目的，本发明提供一种激光法测量超薄玻璃再热线收缩率的装置，包括：L型架体、加热炉、激光传感器、石英支架、石英棒和石英杆；
所述L型架体的竖架上安装有电动升降机构，所述加热炉安装在所述电动升降机构上；所述L型架体的竖架顶部安装有XYZ三维移动平台，所述激光传感器安装在所述XYZ三维移动平台上；
玻璃试样装载在所述石英支架上，所述石英支架置于所述加热炉内的匀温区，所述加热炉受智能温度控制系统控制；所述石英棒固定在所述L型架体水平面的石英棒安装座上，所述石英棒上端深入所述加热炉的下部，所述石英棒的上端支撑所述石英支架；所述石英杆穿设在所述加热炉的上部，所述石英杆的下端抵在所述玻璃试样的上端，所述石英杆的上端处于所述激光传感器的下方。
作为本发明的进一步改进，所述石英支架为石英管，所述石英支架的外径小于玻璃试样的宽度5～10mm，所述石英支架的厚度为2～3mm。
作为本发明的进一步改进，所述石英支架沿轴线方向开设有中部缝隙和两端固定试样缝隙，所述固定试样缝隙处于中部缝隙两侧且与所述中部缝隙相通；所述中部缝隙为玻璃试样厚度的3～5倍，所述固定试样缝隙大于玻璃试样的厚度0.1～0.2mm，所述固定试样缝隙的长度为0.5～1cm。
作为本发明的进一步改进，所述石英支架的上端设有与所述石英杆相匹配的石英套，所述石英套的厚度为10～15mm，所述石英套的内径大于石英杆0.5～1mm。
作为本发明的进一步改进，所述石英棒作为所述石英支架的底座，所述石英棒的直径大于所述石英支架的外径，所述石英棒与石英支架的接触处设有轴台，所述轴台的外径小于石英支架的内径0.5～1mm，所述轴台的高度为20～30mm。
作为本发明的进一步改进，所述加热炉通过电动升降机构可上下升降调节加热炉的高度使玻璃试样放置在所述加热炉匀温区的中部区域；
所述加热炉为管式炉，所述加热炉内管直径大于玻璃试样的宽度20～40mm，使所述加热炉的匀温区大于玻璃试样的长度50～100mm，匀温区的温度均匀性小于±3℃。
作为本发明的进一步改进，所述石英杆的直径为4～10mm。
作为本发明的进一步改进，所述激光传感器的测量精度达0.025-0.25μm。
作为本发明的进一步改进，驱动所述XYZ三维移动平台使所述激光传感器的光斑对准石英杆端面的中心，所述XYZ三维移动平台XY方向的行程为80～120mm，所述XYZ三维移动平台Z方向的行程为20～40mm。
本发明还提供一种激光法测量超薄玻璃再热线收缩率的方法，包括：
测量玻璃试样的初始长度L0，将玻璃试样安放在石英支架上，并置于加热炉匀温区内的加热棒上端，玻璃试样上部放置石英杆，石英杆伸出加热炉外，调节XYZ三维移动平台的XYZ三方向，使固定在XYZ三维移动平台上的激光传感器的光斑对准石英杆，加热炉按照测试要求的温度曲线进行升温、保温、降温，模拟不同热处理的工艺制程；激光传感器自动记录在温度制度范围内的玻璃试样伸长或收缩变化量，当温度降到起始温度时，获得整个温度处理工艺条件的收缩值ΔL，将收缩值ΔL与玻璃试样原始长度L0相除计算出玻璃试样的线性收缩率，称为玻璃再热线收缩率。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明的玻璃试样放于匀温场的加热炉内，确保了玻璃受热均匀；采用高精度激光传感器实时测量玻璃的伸长或收缩变化量，测量精度高；采用在线测量法，玻璃试样无需划线和称量工作，不会人为引入误差；当玻璃试样初始长度L0为300mm时，收缩率测量精度达1ppm，能满足LTPS制程工艺对玻璃基板的再热收缩率的测量要求。
附图说明
图1为本发明一种实施例公开的激光法测量超薄玻璃再热线收缩率的装置的结构图；
图2为图1中石英支架的结构图；
图3为图1中石英支架的剖视图。
图中：
1、L型架体；2、电动升降机构；3、XYZ三维移动平台；4、传感器安装架；5、激光传感器；6、石英杆；7、加热炉；8、石英支架；9、玻璃试样；10、控温热偶；11、石英棒；12、石英棒安装座；13、固定试样缝隙；14、中部缝隙；15、石英套。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：
如图1-3所示，本发明提供一种激光法测量超薄玻璃再热线收缩率的装置，包括：L型架体1、加热炉7、激光传感器5、石英支架8、石英棒11和石英杆6；其中：
L型架体1的竖架上安装有电动升降机构2，加热炉7安装在电动升降机构2上，加热炉7通过电动升降机构2可上下升降调节加热炉7的高度使玻璃试样9放置在加热炉7匀温区的中部区域，电动升降机构2可包括电机，电机的输出轴上连接有丝杆，加热炉7上的固定滑块螺接配合在丝杆上；除上述电动升降机构2的结构外还可采用其他可实现升降的电动升降机构；L型架体1的竖架顶部安装有XYZ三维移动平台3，激光传感器5通过传感器安装架4安装在XYZ三维移动平台3上；玻璃试样9穿设装载在石英支架8上，装载有玻璃试样9的石英支架8置于加热炉7内的匀温区处，加热炉7受智能温度控制系统控制，智能温度控制系统可采用控温热偶10构成的智能温度控制系统；石英棒11固定在L型架体1水平面(横架)的石英棒安装座12上，石英棒11上端深入加热炉7的下部且石英棒11的上端支撑石英支架8；石英杆6穿设在加热炉7的上部，石英杆6的下端抵在玻璃试样9的上端，石英杆6的上端处于激光传感器5的下方。
进一步，本发明针对发明背景中的问题所采用的技术原理为：利用高精度激光传感器在线测量升降温过程中玻璃试样的长度变化量，长度变化量除以玻璃试样的初始长度，得到玻璃试样的线收缩率。所采用的技术方案具体为：玻璃试样9装载在石英支架8中且超薄玻璃试样呈竖直放置，本发明的石英支架8为石英管，石英支架8的外径小于玻璃试样9的宽度5～10mm，石英支架8的厚度为2～3mm。如图2、3所示，石英支架8沿轴线方向开设有中部缝隙14和两端的固定试样缝隙13，固定试样缝隙13处于中部缝隙14两侧且与中部缝隙14相通；中部缝隙14大于玻璃试样9厚度的2倍以上，避免玻璃试样9与石英支架8产生摩擦，优选中部缝隙14为玻璃试样9厚度的3～5倍；固定试样缝隙13大于玻璃试样9的厚度0.1～0.2mm，固定试样缝隙13的长度为0.5～1cm，用于固定玻璃试样9。石英支架8的上端设有与石英杆6相匹配的石英套15，石英套15的厚度为10～15mm，石英套15的内径大于石英杆的直径0.5～1mm。石英棒11作为石英支架8的底座，石英棒11的直径大于石英支架8的外径，石英棒11与石英支架8的接触处设有轴台，轴台的外径小于石英支架的内径0.5～1mm，轴台的高度为20～30mm，石英棒11不与加热炉7有任何接触。加热炉7为管式炉，加热炉7内管直径大于玻璃试样9的宽度20～40mm，使加热炉7的匀温区大于玻璃试样9的长度50～100mm，匀温区的温度均匀性小于±3℃；石英杆的直径为4～10mm，高精度激光传感器的光斑对准石英杆上端面的中心，来测量玻璃试样的长度变化量，激光传感器的测量精度达0.025-0.25μm。激光传感器5固定在XYZ三维移动平台3上，XYZ三维移动平台3XY方向的行程为80～120mm，能够调节激光传感器的位置让开加热炉炉口，方便取放玻璃试样，XYZ三维移动平台3Z方向的行程20～40mm，能够满足激光传感器的安装要求。加热炉均匀升降温，激光传感器在线自动测量玻璃试样长度收缩变化量，并在炉温降到初始温度时，自动计算得到玻璃试样的再热收缩率值。
本发明还提供一种激光法测量超薄玻璃再热线收缩率的方法，包括：
测量玻璃试样的初始长度L0，将玻璃试样安放在石英支架上，并置于加热炉匀温区内的加热棒上端，玻璃试样上部放置石英杆，石英杆伸出加热炉外，调节XYZ三维移动平台的XYZ三方向，使固定在XYZ三维移动平台上的激光传感器的光斑对准石英杆端面的中间位置，调整好后，打开激光传感器5，待数据稳定后加热炉按照测试要求的温度曲线进行升温、保温、降温，模拟不同玻璃的温度处理的工艺制程；激光传感器自动记录在温度制度内的玻璃试样伸长或收缩变化量，当温度降到起始温度时，获得整个温度处理工艺条件的收缩值ΔL，将收缩值ΔL与玻璃试样原始长度L0相除(S＝ΔL/L0)计算出玻璃试样的线性收缩率，称为玻璃再热线收缩率。
本发明的玻璃试样放于匀温场的加热炉内，确保了玻璃受热均匀；采用高精度激光传感器实时测量玻璃的伸长或收缩变化量，测量精度高；采用在线测量法，玻璃试样无需划线和称量工作，不会人为引入误差；当玻璃试样初始长度L0为300mm时，收缩率测量精度达1ppm，能满足LTPS制程工艺对玻璃基板的再热收缩率的测量要求。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光法测量超薄玻璃再热线收缩率的装置，其特征在于，包括：L型架体、加热炉、激光传感器、石英支架、石英棒和石英杆；
所述L型架体的竖架上安装有电动升降机构，所述加热炉安装在所述电动升降机构上；所述L型架体的竖架顶部安装有XYZ三维移动平台，所述激光传感器安装在所述XYZ三维移动平台上；
玻璃试样装载在所述石英支架上，所述石英支架置于所述加热炉内的匀温区，所述加热炉受智能温度控制系统控制；所述石英棒固定在所述L型架体水平面的石英棒安装座上，所述石英棒上端深入所述加热炉的下部，所述石英棒的上端支撑所述石英支架；所述石英杆穿设在所述加热炉的上部，所述石英杆的下端抵在所述玻璃试样的上端，所述石英杆的上端处于所述激光传感器的下方。
2.如权利要求1所述的激光法测量超薄玻璃再热线收缩率的装置，其特征在于，所述石英支架为石英管，所述石英支架的外径小于玻璃试样的宽度5～10mm，所述石英支架的厚度为2～3mm。
3.如权利要求2所述的激光法测量超薄玻璃再热线收缩率的装置，其特征在于，所述石英支架沿轴线方向开设有中部缝隙和两端固定试样缝隙，所述固定试样缝隙处于中部缝隙两侧且与所述中部缝隙相通；所述中部缝隙为玻璃试样厚度的3～5倍，所述固定试样缝隙大于玻璃试样的厚度0.1～0.2mm，所述固定试样缝隙的长度为0.5～1cm。
4.如权利要求1所述的激光法测量超薄玻璃再热线收缩率的装置，其特征在于，所述石英支架的上端设有与所述石英杆相匹配的石英套，所述石英套的厚度为10～15mm，所述石英套的内径大于石英杆0.5～1mm。
5.如权利要求1所述的激光法测量超薄玻璃再热线收缩率的装置，其特征在于，所述石英棒作为所述石英支架的底座，所述石英棒的直径大于所述石英支架的外径，所述石英棒与石英支架的接触处设有轴台，所述轴台的外径小于石英支架的内径0.5～1mm，所述轴台的高度为20～30mm。
6.如权利要求1所述的激光法测量超薄玻璃再热线收缩率的装置，其特征在于，所述加热炉通过电动升降机构可上下升降调节加热炉的高度使玻璃试样放置在所述加热炉匀温区的中部区域；
所述加热炉为管式炉，所述加热炉内管直径大于玻璃试样的宽度20～40mm，使所述加热炉的匀温区大于玻璃试样的长度50～100mm，匀温区的温度均匀性小于±3℃。
7.如权利要求1所述的激光法测量超薄玻璃再热线收缩率的装置，其特征在于，所述石英杆的直径为4～10mm。
8.如权利要求1所述的激光法测量超薄玻璃再热线收缩率的装置，其特征在于，所述激光传感器的测量精度达0.025-0.25μm。
9.如权利要求1所述的激光法测量超薄玻璃再热线收缩率的装置，其特征在于，驱动所述XYZ三维移动平台使所述激光传感器的光斑对准石英杆端面的中心，所述XYZ三维移动平台XY方向的行程为80～120mm，所述XYZ三维移动平台Z方向的行程为20～40mm。
10.一种基于如权利要求1-9中任一项所述的激光法测量超薄玻璃再热线收缩率的装置的测试方法，其特征在于，包括：
测量玻璃试样的初始长度L0，将玻璃试样安放在石英支架上，并置于加热炉匀温区内的加热棒上端，玻璃试样上部放置石英杆，石英杆伸出加热炉外，调节XYZ三维移动平台的XYZ三方向，使固定在XYZ三维移动平台上的激光传感器的光斑对准石英杆，加热炉按照测试要求的温度曲线进行升温、保温、降温，模拟不同热处理的工艺制程；激光传感器自动记录在温度制度范围内的玻璃试样伸长或收缩变化量，当温度降到起始温度时，获得整个温度处理工艺条件的收缩值ΔL，将收缩值ΔL与玻璃试样原始长度L0相除计算出玻璃试样的线性收缩率，称为玻璃再热线收缩率。
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