专利名称：对薄膜提供外加原位应力的装置及其对应力值的测量方法
技术领域：
本发明涉及对薄膜应力效应研究领域，具体地说，涉及一种对薄膜提供外加原位应力的装置，及利用该装置对薄膜应力值的测量方法。
背景技术：
研究薄膜性能对材料的实际应用起着重要作用。薄膜性能包括介电、铁电、铁磁、电导、电容一电压曲线等等，不同材料有不同侧重点。而在薄膜制备过程中衬底失配、热处理及薄膜器件的集成封装等因素都会在薄膜中引入兆帕量级的应力，这种应力对薄膜各方面性能有很大影响，甚至会影响到器件可靠性和使用寿命。因而应力下研究薄膜性能的变化尤为重要。薄膜铁磁性能在外加应力和不加应力情况又有很大差别，通过在有外加应 力作用下与不加外应力作用下的情况比较，可以得到薄膜在应力状态下的相关性能的数据，其结果为分析薄膜的相关性质及进一步性能的改进提供有用的参考。因而方便地测出在应力作用下薄膜性质的改变就显得尤其重要。目前可进行张、压应力下“原位”铁磁性能(剩余极化、矫顽场、疲劳)测试的仪器据我们了解，一方面，美国有，但它用的是大尺寸(2 — 3英寸)的圆形样品，将样品片本身作为小型真空腔的盖子，需要连接真空泵或气源，通过对真空腔抽气或充气使圆片样品中心向下凹陷或向上鼓出，以达到给表面膜面施加压或张应力的目的，具体力的大小也需要通过计算得出，这种测量方式的缺点是结构复杂，操作困难，所需样品尺寸大。另一方面，在我们已有的薄膜应力测试装置中，是通过螺旋测微器的螺母带动螺杆连同金属刀口的移动，给薄膜施加不同大小的应力，这种方法本身存在着误差较大、不够直观等缺陷，主要原因是在操作上，由于薄膜变形量大小的调节机构和测量单元都是螺旋测微器，而旋转螺旋测微器的读数是通过调节螺母带动微分筒的转动产生的，有时微分筒的转动已经产生了读数的变化，而旋转螺旋测微器的微测螺杆连同金属刀口还未发生移动，即还未对薄膜施加应力，这样就产生了“虚假行程”现象，造成“空程差”，导致读数失真。
发明内容
技术问题本发明所要解决的技术问题是提供一种对薄膜提供外加原位应力的装置，利用该装置对薄膜提供外加原位应力时，可以避免出现“空程差”，减少测量误差，提高测量精度。同时，本发明还提供了利用该装置对薄膜进行应力值的测量方法，该测量方法可以更加直观的观察被测薄膜位移的偏移量，增加了测量的直观性。技术方案为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是一种对薄膜提供外加原位应力的装置，该装置包括千分表、螺杆、螺母、支架、轴承、千分表固定连杆、金属刀片固定架、上金属刀片、下金属刀片、连杆、夹持器和底座，所述的支架的顶部设有通孔，螺母固定连接在支架的顶面，且螺母和支架的通孔同轴，螺杆与螺母相配合，且螺杆的顶端位于支架外侧，螺杆的底端位于支架内侧；轴承和金属刀片固定架位于支架内侧，且轴承套装在螺杆的底部，金属刀片固定架固定连接在轴承的外壁面，上金属刀片和下金属刀片固定连接在金属刀片固定架的内壁上，且上金属刀片的刀口和下金属刀片的刀口相对，上金属刀片的刀口和下金属刀片的刀口处于同一竖直平面内，上金属刀片和下金属刀片之间有空隙；千分表位于支架外侧，且千分表竖直放置，千分表通过千分表固定连杆固定在支架上，支架的侧壁上设有第一通槽，连杆穿过第一通槽，连杆的一端固定连接在金属刀片固定架的外壁面，连杆的另一端与千分表的测头相接触，夹持器固定连接在底座上，且上金属刀片和下金属刀片之间的空隙与夹持器的夹持口相对。—种利用对薄膜提供外加原位应力的装置进行应力值的测量方法，所述的测量方法包括以下步骤A)薄膜生长在具有电极的衬底上，该衬底上的电极作为薄膜电容器的下电极，并使下电极的一端外露，为下电极的外露端，在外露端的背面采用涂银胶烘干方法或磁控溅射方法制备导电层；B)薄膜上方制备分立系列点状电极，作为薄膜电容器的上电极； C)薄膜连同衬底的一端固定在夹持器上，下电极的外露端为自由端，该自由端位于上金属刀片和下金属刀片之间；D)施加张应力旋转螺杆，带动上金属刀片、下金属刀片和连杆一起向下移动，上金属刀片对薄膜施加作用力，将万用表的一个表笔接触上金属刀片，万用表的另一个表笔接触薄膜电容器的下电极，当万用表刚刚开始显示有电阻时，为薄膜的平衡位置，此时薄膜没有形变，记下千分表的读数；继续旋转螺杆，带动上金属刀片、下金属刀片和连杆随之向下移动，千分表的读数随之改变，千分表读数的改变量为对薄膜施加张应力的偏移量y
max *E)施加压应力旋转螺杆，使上金属刀片、下金属刀片和连杆一起向上移动，下金属刀片对薄膜施加作用力，将万用表的一个表笔接触下金属刀片，万用表的另一个表笔接触自由端背面的导电层，当万用表刚刚开始显示有电阻时，为薄膜的平衡位置，此时薄膜没有形变，记下千分表的读数；继续旋转螺杆，上金属刀片、下金属刀片和连杆随之上升，千分表的读数改变，千分表的读数改变量为对薄膜施加压应力的偏移量yffimax ；F)测量位置量X ;上金属刀片的刀口所在平面或下金属刀片的刀口所在平面与测量仪器的导电探针所接触的上电极中心之间的距离，为位置量X ;G)测量薄膜的有效长度I :测量上金属刀片的刀口或下金属刀片的刀口所在平面到夹持器夹持口的距离，为薄膜的有效长度I;H)测量薄膜连同衬底的厚度d ；I)由偏移量y张_或y压_、薄膜的有效长度I、位置量X和厚度d，根据式⑴、式
(2)、式(3)、式(4)和式(5)测算薄膜长度方向上确定位置的应力值F :对于张应力=3Z2X + 2/3试(I)对于压应力y=j^fKx3-3/2x+ 2/3试(2)则薄膜上任何一点的曲率半径R为K式⑶
薄膜中间层与薄膜上表面或薄膜下表面的长度差，就是施加应力时薄膜表面的形变量Λ
权利要求
1.一种对薄膜提供外加原位应力的装置，其特征在于，该装置包括千分表(I)、螺杆(2)、螺母(3)、支架(4)、轴承(5)、千分表固定连杆(6)、金属刀片固定架(7)、上金属刀片(8)、下金属刀片(9)、连杆(10)、夹持器(11)和底座(12)，所述的支架(4)的顶部设有通孔，螺母(3)固定连接在支架(4)的顶面，且螺母(3)和支架(4)的通孔同轴，螺杆(2)与螺母(3)相配合，且螺杆(2)的顶端位于支架(4)外侧，螺杆(2)的底端位于支架(4)内侧；轴承(5)和金属刀片固定架(7)位于支架(4)内侧，且轴承(5)套装在螺杆(2)的底部，金属刀片固定架(7)固定连接在轴承(5)的外壁面,上金属刀片(8)和下金属刀片(9)固定连接在金属刀片固定架(7)的内壁上，且上金属刀片(8)的刀口和下金属刀片(9)的刀口相对，上金属刀片(8)的刀口和下金属刀片(9)的刀口处于同一竖直平面内，上金属刀片(8)和下金属刀片(9)之间有空隙；千分表(I)位于支架(4)外侧,且千分表(I)竖直放置,千分表(I)通过千分表固定连杆(6 )固定在支架(4 )上，支架(4 )的侧壁上设有第一通槽(13 )，连杆(10 )穿过第一通槽(13),连杆(10)的一端固定连接在金属刀片固定架(7)的外壁面,连杆(10)的另一端与千分表(I)的测头相接触，夹持器(11)固定连接在底座(12)上，且上金属刀片(8 )和下金属刀片(9 )之间的空隙与夹持器(11)的夹持口相对。
2.按照权利要求I所述的对薄膜提供外加原位应力的装置，其特征在于，还包括限位杆(14)，所述的支架(4)的侧壁上还设有第二通槽(15)，该第二通槽(15)与第一通槽(13)相对，限位杆(14)的一端固定连接在金属刀片固定架(7)的外壁面，限位杆(14)的另一端穿过第二通槽(15)。
3.按照权利要求I所述的对薄膜提供外加原位应力的装置，其特征在于，还包括手柄(16)，该手柄(16)固定连接在螺杆(2)的上部。
4.一种利用权利要求I所述的对薄膜提供外加原位应力的装置进行应力值的测量方法，其特征在于，所述的测量方法包括以下步骤 A)薄膜生长在具有电极的衬底上，该衬底上的电极作为薄膜电容器的下电极，并使下电极的一端外露，为下电极的外露端，在外露端的背面采用涂银胶烘干方法或磁控溅射方法制备导电层； B)薄膜上方制备分立系列点状电极，作为薄膜电容器的上电极； C)薄膜连同衬底的一端固定在夹持器(11)上，下电极的外露端为自由端，该自由端位于上金属刀片(8)和下金属刀片(9)之间； D)施加张应力旋转螺杆(2)，带动上金属刀片(8)、下金属刀片(9)和连杆(10)—起向下移动，上金属刀片(8)对薄膜施加作用力，将万用表的一个表笔接触上金属刀片(8)，万用表的另一个表笔接触薄膜电容器的下电极，当万用表刚刚开始显示有电阻时，为薄膜的平衡位置，此时薄膜没有形变，记下千分表(I)的读数；继续旋转螺杆(2)，带动上金属刀片(8)、下金属刀片(9)和连杆(10)随之向下移动，千分表(I)的读数随之改变，千分表(I)读数的改变量为对薄膜施加张应力的偏移量Y5femax ； E)施加压应力旋转螺杆(2)，使上金属刀片(8)、下金属刀片(9)和连杆(10)—起向上移动，下金属刀片(9)对薄膜施加作用力，将万用表的一个表笔接触下金属刀片(9)，万用表的另一个表笔接触自由端背面的导电层，当万用表刚刚开始显示有电阻时，为薄膜的平衡位置，此时薄膜没有形变，记下千分表(I)的读数；继续旋转螺杆(2)，上金属刀片(8)、下金属刀片(9)和连杆(10)随之上升，千分表(I)的读数改变，千分表(I)的读数改变量为对薄膜施加压应力的偏移量y Jimax ； F)测量位置量X;上金属刀片(8)的刀口所在平面或下金属刀片(9)的刀口所在平面与测量仪器的导电探针所接触的上电极中心之间的距离，为位置量X ; G)测量薄膜的有效长度I:测量上金属刀片(8)的刀口或下金属刀片(9)的刀口所在平面到夹持器(11)夹持口的距离，为薄膜的有效长度I ; H)测量薄膜连同衬底的厚度d； I)由偏移量5^_或5^_、薄膜的有效长度I、位置量X和厚度d，根据式⑴、式(2)、式(3)、式(4)和式(5)测算薄膜长度方向上确定位置的应力值F : 对于张应力
5.根据权利要求4所述的对薄膜进行应力值的测量方法，其特征在于，所述步骤D)和步骤E)的顺序可互换；步骤G)和步骤H)的顺序可互换。
全文摘要
本发明公开了一种对薄膜提供外加原位应力的装置，包括千分表、螺杆、螺母、支架、轴承、千分表固定连杆、金属刀片固定架、上金属刀片、下金属刀片、连杆、夹持器和底座，上金属刀片和下金属刀片固定在金属刀片固定架的内壁上，上金属刀片和下金属刀片之间有空隙；连杆的一端固定在金属刀片固定架上，连杆的另一端与千分表的测头相接触。利用该装置进行应力值的测量方法，包括以下步骤A)薄膜生长在衬底上；B)制备薄膜电容器的上电极；C)固定薄膜；D)施加张应力；E)施加压应力；F)测量位置量；G)测量有效长度；H)测量厚度；I)测算应力值。利用该装置对薄膜提供外加原位应力时，可以避免出现“空程差”，提高测量精度。
文档编号G01L1/00GK102914391SQ201210402449
公开日2013年2月6日 申请日期2012年10月19日 优先权日2012年10月19日
发明者吴秀梅, 翟亚, 戴玉蓉, 陈华 申请人:东南大学