CN215768174U - 一种对薄膜施加均匀应力的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种对薄膜施加均匀应力的装置。板状基底包括相对的第一表面和第二表面，该装置包括：套具，其包括两侧的支撑部和连接所述支撑部的结合部，支撑部在彼此之间具有容纳空间以容纳板状基底，并能够在两侧对板状基底的第一表面提供支撑力；以及夹具，其包括两侧的侧板和连接所述侧板的连接部，夹具布置在容纳空间中并能够对板状基底的第二表面提供推力，以使得板状基底在支撑力和推力的相对作用下朝向第一表面弯曲。本实用新型的装置能够均匀地将应力施加到薄膜，并且精确地改变所述应力大小，从而精确地分析薄膜的物理性质与所述应力的关系。

Description

一种对薄膜施加均匀应力的装置

技术领域

本实用新型涉及微电子材料测试领域，具体涉及一种均匀应力施加装置。

背景技术

当前微电子产品发展迅速，特别地，柔性可穿戴材料更是未来电子产品的重要发展方向。对比传统制备于刚性衬底的器件，柔性电子器件具有透明、可弯曲、轻质等优势。柔性电子器件的构成核心材料是具有各种不同电学特征的柔性薄膜，例如制备在柔性衬底上的单晶薄膜以及脱离了传统外延薄膜衬底束缚的自支撑薄膜，因此需要精确测定各种其弯曲应力对上述柔性薄膜物理性质(力学性能、电学性质以及磁学性质等)的影响，然而现有技术针对薄膜材料的实验设施中并不具备这样高精度且均匀施加应力的装置，或者需要用极为复杂的仪器以实现上述目的，成本很高。

实用新型内容

针对现有技术存在的上述技术问题，本实用新型提供了一种对布置在板状基底上的薄膜施加均匀应力的装置，所述板状基底包括相对的第一表面和第二表面，所述装置包括：

套具，其包括两侧的支撑部和连接所述支撑部的结合部，所述支撑部在彼此之间具有容纳空间以容纳所述板状基底，并能够在所述两侧对所述板状基底的第一表面提供支撑力；以及

夹具，其包括两侧的侧板和连接所述侧板的连接部，所述夹具布置在所述容纳空间中并能够对所述板状基底的第二表面提供推力，以使得所述板状基底在所述支撑力和所述推力的相对作用下朝向第一表面弯曲。

优选地，所述两侧的支撑部具有相对布置的两个第一长条边，所述两个第一长条边对所述第一表面提供所述支撑力，以使得所述两个第一长条边与所述第一表面之间形成两条直边状的第一接触面。

优选地，所述套具的结合部布置在两个所述支撑部的一端并能够依次将所述结合部、所述夹具、所述板状基底与所述两个第一长条边抵接。

优选地，所述结合部在其朝向所述夹具的方向上具有贯通的螺纹孔以及耦合于其中的螺纹部件，其中所述螺纹部件的旋进能够推动所述夹具朝向所述板状基底施加所述推力。

优选地，所述夹具的所述两个侧板在一端具有相对布置的两个第二长条边，所述两个第二长条边对所述第二表面提供所述推力，以使得所述两个第二长条边与所述第二表面之间形成两条直边状的第二接触面；其中

所述第一接触面与所述第二接触面具有相同的延伸方向；以及其中两个第一长条边之间的距离大于两个第二长条边之间的距离。

优选地，所述两个侧板在各自的相对端具有相对布置的第三长条边，其中，所述第三长条边具有与所述第二长条边相同的宽度以及更小的长度。

优选地，所述结合部具有两个纵向凹槽，所述两个纵向凹槽适于使得所述两个第二长条边嵌入其中，且所述两个第三长条边用于抵接所述第二表面；或者使得所述两个第三长条边嵌入所述纵向凹槽中，且所述两个第二长条边用于抵接所述第二表面。

优选地，所述夹具的连接部还用于抵接所述螺纹部件；其中

所述夹具的连接部和两侧的侧板形成对称结构以使得所述螺纹部件前进方向重合于所述夹具的对称轴方向。

优选地，所述装置还包括：

光源，其用于照射布置在所述板状基底上的所述薄膜；以及

电流采样装置，其用于采样所述光源照射所述薄膜时的电流值。

优选地，构成所述装置的材料选自铜、铝、铁、钢的组。

本实用新型的装置能够均匀地将应力施加到薄膜，并且通过螺纹部件精确地改变所述应力大小，从而精确地分析薄膜的物理性质与所述应力的关系。夹具的双面设计可以对应不同尺寸的薄膜样品，其多个凹槽进一步保证了结构的稳固性。

附图说明

以下参照附图对本实用新型实施例作进一步说明，其中：

图1是是根据本实用新型的第一个实施例的均匀应力施加装置的套具的立体示意图；

图2至图4分别示出了如图1所示的套具沿着A1、A2、A3方向观察的示意图；

图5示出了根据本实用新型的第一个实施例的均匀应力施加装置的夹具的立体示意图；

图6至图8分别示出了图5所示的夹具从A4、A5和A6方向观察的示意图；

图9示出了与套具、夹具配合使用的螺纹部件的示意图；

图10和图11示出了如图1至图9所示的套具、夹具和螺纹部件组装在一起并对样品均匀施加应力的过程示意图；

图12是根据本实用新型的第二个实施例的用于测试光电材料的均匀应力施加装置的示意图；

图13示出了根据本实用新型的第三个实施例的均匀应力施加装置。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本实用新型进一步详细说明。

图1是根据本实用新型的第一个实施例的均匀应力施加装置的套具的立体示意图。

套具1包括第一支撑部11、第二支撑部12、第一结合件13和第二结合件14。其中，第一支撑部11、第二支撑部12均呈板状，两者相互对齐且平行地布置。第一结合件13和第二结合件14呈条状，用于从第一支撑部11、第二支撑部12的两端将二者结合为一体；套具1的上述组件结合后其整体外观呈口字型，并且从A1方向观察为左右对称形状。具体的，第一结合件13具有沿着A3方向贯通第一结合件13的操作孔131，其结构将结合图2进行介绍；第一结合件13还具有两个面向第二结合件14的纵向凹槽132和133，纵向凹槽132和133在A1方向(其延伸方向)贯通第一结合件13，且彼此对称地分布。第一支撑部11具有第一凹槽112和第二凹槽113，第二支撑部12具有第三凹槽122和第四凹槽123；其中第一凹槽112和第三凹槽122的形状设置为适配于第一结合件13，且使得第一结合件13嵌入第一凹槽112和第三凹槽122各自所形成的容纳空间中，第一结合件13可通过螺钉结构或卡合结构等固定结构与第一支撑部11及第二支撑部12固定；第二凹槽113和第四凹槽123的形状设置为适配于第二结合件14，且使得第二结合件14嵌入第二凹槽112和第四凹槽122各自所形成的容纳空间中，第二结合件14可通过螺钉结构或卡合结构等固定结构与第一支撑部11及第二支撑部12固定。如图1所示，规定第一支撑部11与第二支撑部12相对的表面为各自的内侧面，第一支撑部11的内侧面上具有第一延伸部111、第一延伸部111呈台阶状突出于该第一支撑部11的内侧面，第一延伸部111具有端面1111；第二支撑部12的内侧面上具有第二延伸部121、第二延伸部121呈台阶状突出于第二支撑部12的内侧面，第二延伸部121具有端面1211。图1中还示出了第一支撑部11上的两个通孔116和117，其均沿着A2方向贯通第一支撑部11；以及第二支撑部12上的两个通孔126和127，其均沿着A2方向贯通第二支撑部12。在图1中，A1方向定义为平行于端面1111或端面1211的长度延伸方向，A2方向定义为从第一支撑部11垂直指向第二支撑部12的方向，其中A1方向和A2方向垂直相交，所形成的平面平行于端面1111或端面1211；A3方向垂直于A1方向和A2方向垂直相交所形成的平面，或者垂直于端面1111。

图2示出了如图1所示的套具1沿着A1方向观察的示意图，图3示出了如图1所示的套具1沿着A2方向观察的示意图，图4示出了如图1所示的套具1沿着A3方向观察的示意图。如图2所示，第一支撑部11的第一延伸部111和第二支撑部12的第二延伸部121之间存在距离L1。图2中，由虚线示出了第一支撑部11内部的通孔117，而通孔116被通孔117遮挡；以及第二支撑部12内部的通孔127，而通孔126被通孔127遮挡。还由虚线示出了第一结合件13的操作孔131，操作孔131具有直径较大的呈圆柱状的凹陷部和从该凹陷部继续延伸并且贯通第一结合件13的螺纹孔。操作孔131用于将螺纹部件置于其中，并通过拧动该螺纹部件而控制其穿过所述操作孔131的螺纹孔并向外延伸的长度变化。第一支撑部11的端面1111和第二支撑部12的端面1211位于同一平面，用于共同容纳外部的长方形片状或板状的样品，使其贴合在端面1111和端面1211上。由图3可以看到，第一结合件13和第二结合件14在沿着A2方向观察的横截面均为矩形，因此其结构简单，同时与其配合的各个凹槽也易于加工。由图4可以看到，沿着A3方向观察，套具1也呈对称形状，操作孔131的圆心位于第一结合件13上端面的中央位置。

图5示出了根据本实用新型的第一个实施例的均匀应力施加装置的夹具的立体示意图。夹具2包括形状一致的第一侧板21和第二侧板22，以及连接第一侧板21和第二侧板22的结合部23。其中，第一侧板21和第二侧板22均呈凸字形，第一侧板21具有第一端面211和与其相对的第二端面212，第二侧板22具有第一端面221和与其相对的第二端面222。结合部23呈矩形的板状，其具有第一端面231。

图6至图8分别示出了图5所示的夹具2从A4、A5和A6方向观察的示意图，其中在图面视角中，A6方向垂直于结合部23的第一端面231，A5方向垂直地从第一侧板21指向第二侧板22，A4方向分别垂直于A6方向或A5方向。如图6所示，夹具2从第一侧板21到第二侧板22的长度尺寸(即沿着如图5所示的A5方向的长度尺寸)为L2，第一端面211和第一端面221处于同一平面，第二端面212与第二端面222处于同一平面，结合部23的第一端面231平行于上述端面中的任意一个，且结合部23从其第一端面231到其相对面的距离小于第一侧板21的从第一端面211到第二端面212之间的距离。如图7所示，从A5方向观察，结合部23、第二侧板22均被第一侧板21所遮挡(虚线框示出了结合部23的位置)，第一侧板21在该方向形状左右对称，其第一端面211与第二端面212的长度比大约为1比2，且这两个端面均平直光滑。如图8所示，夹具2在沿着该A6方向观察呈工字形，结合部23在沿着该A6方向仅能观察到第一端面231，其具有宽度D(即图5中沿着A4方向的尺寸)。

图9示出了与套具1、夹具2配合使用的螺纹部件3的示意图以及其头部端面示意图，如图9所示，其头部优选的设置为十字槽型头31或内六角槽型头31’。

图10和图11示出了如图1至图9所示的套具、夹具和螺纹部件组装在一起并对样品均匀施加应力的过程的示意图。

图10中展示了样品4、夹具2和螺纹部件3依次布置于套具1内的示意图。本实施例中的样品4大致为矩形薄板状，包括基底层和基底层任意一侧或双侧的薄膜层，样品4的第一长度方向被设置为基本等于或略小于第一支撑部11和第二支撑部12之间的距离，而第二长度方向设置为基本接近第二端面212或第二端面222的长度。图10中，样品4的一个端面41用于供薄膜材料覆盖于其上。首先将样品4放置在第一支撑部11和第二支撑部12之间，并使其第一长度方向在第一支撑部11和第二支撑部12之间延伸；然后使得样品4贴合于第一支撑部11的第一延伸部111的端面1111以及第二支撑部12的第二延伸部121的端面1211，其中样品4具有薄膜材料的端面41面向第一结合件13。然后，将夹具2的第一侧板21的靠近其第一端面211的一端与第一结合件13的纵向凹槽132对齐，将夹具2的第二侧板22的靠近其第一端面221的一端与第一结合件13的纵向凹槽133对齐，由此将夹具2插入第一支撑部11、第二支撑部12、第一结合件13与第二结合件14合围的口字形容纳空间内，且第一侧板21的第二端面212和第二侧板22的第二端面222均贴合于样品4的端面41。其中，夹具2从第一侧板21到第二侧板22外侧总长度L2小于套具1从第一支撑部11的第一延伸部111到第二支撑部12的第二延伸部121之间的距离L1。最后将螺纹部件3旋进并穿过第一结合件13的操作孔131以向夹具2的第一端面231靠近。其中，螺纹部件3的螺纹部端面处的直径小于夹具2的第一端面231的宽度D，螺纹部的长度足够长而足以使得螺纹部件3、夹具2与样品4依次抵接并仍具有较为富裕的旋进余量，同时，螺纹部件3的前进方向重合于夹具2的对称轴方向(即螺纹部件3垂直地抵接夹具2的第一端面231的中心)。

图11示出了螺纹部件3通过挤压夹具2而挤压样品4的示意图。其中，通过拧动螺纹部件3的头部使螺纹部件3在已经抵接夹具2的情况下继续施加法向力到夹具2，因此夹具2的第二端面212和第二端面222均匀地向样品4的端面41施加法向压力，由于样品4厚度较薄且具有一定弹性，以及由于样品4被第一支撑部11的第一延伸部111和第二支撑部12的第二延伸部121承托，且夹具2从第一侧板21到第二侧板22外侧总长度L2小于套具1从第一支撑部11的第一延伸部111到第二支撑部12的第二延伸部121之间的距离L1，所以样品4产生弹性形变，其中间部位弯曲并靠近第二结合件14。因此，基底层上的薄膜材料被施加面内压应力，或称之为薄膜u型应力值；与之相反的，在根据本实用新型的其他实施例中，还可以将样品4翻转放置以使得具有薄膜材料的端面41面向第二结合件14，因此在采用以上方法施加法向压力时，基底层上的薄膜材料被施加面内张应力，或称之为薄膜n型应力值。

本实施例采用了具有内六角槽型头或十字槽型头的螺纹部件3。内六角槽型头每转动1/6圈为60度，十字螺丝每转动1/4为90度，由于转动圈数与螺纹部旋进距离线性对应，可以容易的获得上述二者的对应关系；此外该单次转动在操作人员的目视方向参照物简单直接，容易控制，因此可以通过控制螺丝转动圈数(比如1/6圈、1/4等等)来间接控制螺丝下降的准确位移，进而控制装置施加应力的大小，控制过程更加精确。

在薄膜材料发生弯曲形变后，可以采用物性测量系统、大科学装置(例如散列中子源等)等物理测试手段测试其输运、磁结构等性质，以及与其在自然状态下的对应各个物理性质对比，获得不同的应力作用范围内各物理性质的一系列精确对应关系。

根据本实施例的均匀应力施加装置，其通过设计使得样品4呈薄平面状，夹具2分立设置的第二端面212和第二端面222分别贴合于样品4的端面41，以及样品4的另一端面分别贴合于分立设置的第一支撑部11的端面1111和第二支撑部12的端面1211，因此在操作人员不施加外力的情况下，夹具2和第一支撑部11、第二支撑部12各自贴合于样品4两个端面，并且在螺纹部件3开始施加应力后，该应力沿着样品4的端面41的法线方向，因此在样品4发生弯曲后，可以认为夹具2分立设置的第二端面212和第二端面222分别与样品4近似于保持线接触，第一支撑部11的端面1111和第二支撑部12的端面1211也分别与样品4近似于保持线接触，上述四个线接触部分的应力均是均匀分配。

此外，由于螺纹部件3的螺纹部端面处的直径小于夹具2的第一端面231的宽度D，因此当螺纹部件3抵接到夹具2的第一端面231并施加压力，可以避免螺纹部件3侧滑到第一端面231之外，结构更具有稳固性。螺纹部件3与第一端面231的接触面处于第一端面231中心附近，因此施加力分布均匀。

根据本实施例的均匀应力施加装置，其通过设置分立的纵向凹槽132和纵向凹槽133，将夹具2的朝向稳固在特定的理想角度，因此进一步保证夹具2分立设置的第二端面212和第二端面222分别与样品4近似于保持线接触，因此保证了施加力的均匀程度。

实施例2

图12是根据本实用新型的第二个实施例的用于测试光电材料的均匀应力施加装置示意图。如图12所示，其与本实用新型的第一个实施例基本一致，其区别在于样品4的一侧采用光源5(例如通过光纤出射端)对薄膜光电材料进行照射以激发光生电子并对其所形成的电流进行采样；以及通过螺纹部件3精确调节压力或通过控制光纤出射端的光强度值对材料的应力与光生电流之间的关系进行记录分析。

图13示出了根据本实用新型的第三个实施例的均匀应力施加装置。其大致结构类似于第一个实施例的均匀应力施加装置，区别在于第一结合件13’增加了多个凹槽以与外部其他结构连接，第二结合件14’由分立的两个条状部件组合而成以在底部增加空隙，用于增加外部测试部件以接近样品14。

根据本发明的其他实施例，夹具2的第一侧板21的第一端面211与第二端面212在使用中互换位置，即将第一端面211用于抵接样品4’，而第一侧板21的靠近第二端面212的部分用于插入套具1的纵向凹槽132；相对应的，夹具2的第二侧板22的第一端面221与第二端面222同样互换使用，即第二侧板22的第一端面221用于抵接样品4’，而第二侧板22的靠近第二端面222的部分用于插入套具1的纵向凹槽133。在本实施例中，由于用于抵接样品4’的分别是第一端面211和第一端面221。因此样品4’的第一长度方向设置为恰好垂直度布置于第一支撑部11和第二支撑部12之间，而第二长度方向设置为基本接近第一端面211或第一端面221的长度。因此可以根据第一端面211和第二端面212的不同长度设计不同尺寸大样品4和样品4’，从而方便的将不同尺寸的薄膜布置在样品4或样品4’之上。

根据本实用新型的其他实施例，第一支撑部11的第一延伸部111在其与所述样品4线接触的端面1111的边缘处可以设置为圆弧形倒角，对应的，第二支撑部12的第二延伸部121的端面1211的边缘处需具有相同的圆弧形倒角。又或者，夹具2的第一端面211或第一端面221被设置为圆弧形倒角，或者其第二端面212或第二端面222被设置为圆弧形倒角。因此在样品4被施加力而弯曲时，第一延伸部111、第二延伸部121分别与样品4具有比上述线接触更宽的接触面积，即，该具有弧度的各个端面使得在样品4与套具1、样品4与夹具1的受力位置处的薄膜具有更均匀的弯曲曲率，因此有效地防止样品4或其上的薄膜在接触处由于较高的局部压强出现损坏。

根据本实用新型的其他实施例，第一支撑部11和第二支撑部12还可以在相对的内侧壁对称布置有两个横向凹槽，以使得板状的样品4嵌入并且稳固在所述横向凹槽中，从而取代实施例1所例举的具有相对的台阶部的两个支撑部。对于板状的样品4而言，所述横向凹槽能够提供比台阶部的端面1111及1211更稳固的连接与支撑。

根据本实用新型的其他实施例，夹具2的第一侧板21和第二侧板22各自具有通孔并可活动地套嵌在结合部23上，且可以以特定的相对距离而保持固定。因此可以根据需要灵活调节夹具2对样品4的施力位置。

根据本实用新型的其他实施例，待测样品可为制备在柔性衬底上的各类薄膜，例如包含但不仅限于生长在云母上的铂、金、铝等金属，或者氧化镁、铁酸铋、钛酸锶、铝酸镧等氧化物；同时也可为转移后的自支撑薄膜，例如转移在PDMS上的氮化钒、氮化铬等氮化物、或者钛酸钡氧化铬等氧化物。待测样品还可为各类硬质材料，例如制备在刚性衬底上的薄膜材料，包含但不仅限于制备在钛酸锶衬底上的锰酸镧、制备在铝酸锶衬底上的铁酸锶等；减薄后的块材，例如减薄后的钛酸钡、氧化锌、碳化硅等。

根据本实用新型的其他实施例，套具1、夹具2、螺纹部件3和样品4可以包括金属材料以获得更高的硬度或更低的形变量，其可以包括铜、铝、铁、钢等材料，或者选择硬度较大、传热性好、抗磁化或者在极端温度或压力环境下硬度变化幅度较低的材料。因此该均匀应力施加装置可以拓展到各种不同物理参量的极端环境下对包括薄膜材料的样品进行测试；此外套具1、夹具2、螺纹部件3和样品4的表面要确保较高的平整度，避免出现微小的凸起或其他不利因素，因此进一步保证施加力的均匀性和实验的可重复性。

根据本发明的其他实施例，优选的可以将套具1的外周尺寸限定在30mm*25mm*20mm的空间内，同时将夹具2的外周尺寸限定在20mm*15mm*10mm的空间内，由此该装置可以整体放置于现有技术中较多的通用试验平台，通用性较高。

虽然本实用新型已经通过优选实施例进行了描述，然而本实用新型并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本实用新型范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。

Claims (11)

1.一种对薄膜施加均匀应力的装置，所述薄膜布置在板状基底上，所述板状基底包括相对的第一表面和第二表面，其特征在于，所述装置包括：

套具，其包括结合部和布置在所述结合部两侧的支撑部，所述结合部用于连接所述支撑部，所述支撑部在彼此之间具有容纳空间以容纳所述板状基底，并能够由所述支撑部对所述板状基底的第一表面提供支撑力；以及

夹具，其包括两侧的侧板和连接所述侧板的连接部，所述夹具布置在所述容纳空间中并能够对所述板状基底的第二表面提供推力，以使得所述板状基底在所述支撑力和所述推力的相对作用下朝向第一表面弯曲。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述两侧的支撑部具有相对布置的两个第一长条边，所述两个第一长条边对所述第一表面提供所述支撑力，以使得所述两个第一长条边与所述第一表面之间形成两条直边状的第一接触面。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述套具的结合部布置在两个所述支撑部的一端并能够使得所述结合部、所述夹具、所述板状基底与所述两个第一长条边依次抵接。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述结合部在其朝向所述夹具的方向上具有贯通的螺纹孔以及耦合于其中的螺纹部件，其中所述螺纹部件的旋进能够推动所述夹具朝向所述板状基底施加所述推力。

5.根据权利要求2-3中任一项所述的装置，其特征在于，所述夹具的所述两个侧板在一端具有相对布置的两个第二长条边，所述两个第二长条边对所述第二表面提供所述推力，以使得所述两个第二长条边与所述第二表面之间形成两条直边状的第二接触面；其中

所述第一接触面与所述第二接触面具有相同的延伸方向；以及其中

两个第一长条边之间的距离大于两个第二长条边之间的距离。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述两个侧板在各自的相对端具有相对布置的第三长条边，其中，所述第三长条边具有与所述第二长条边相同的宽度以及更小的长度。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述结合部具有两个纵向凹槽，所述两个纵向凹槽适于使得所述两个第二长条边嵌入其中，且所述两个第三长条边用于抵接所述第二表面；或者使得所述两个第三长条边嵌入所述纵向凹槽中，且所述两个第二长条边用于抵接所述第二表面。

8.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述夹具的所述两个侧板在一端具有相对布置的两个第二长条边，所述两个第二长条边对所述第二表面提供所述推力，以使得所述两个第二长条边与所述第二表面之间形成两条直边状的第二接触面；其中

所述第一接触面与所述第二接触面具有相同的延伸方向；以及其中

两个第一长条边之间的距离大于两个第二长条边之间的距离。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述夹具的连接部还用于抵接所述螺纹部件；其中

所述夹具的连接部和两侧的侧板形成对称结构以使得所述螺纹部件前进方向重合于所述夹具的对称轴方向。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

光源，其用于照射布置在所述板状基底上的所述薄膜；以及

电流采样装置，其用于采样所述光源照射所述薄膜时的电流值。

11.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，构成所述装置的材料选自铜、铝、铁、钢的其中一种。

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