一种压电半导体断裂失效的多场耦合加载实验装置的制作方法

本发明属于压电半导体技术领域，特别涉及一种压电半导体断裂失效的多场耦合加载实验装置。

背景技术：

随着半导体材料和压电材料技术的快速发展，人们发现了一种兼有压电性质的半导体材料即压电半导体，如CdS、CdSe、ZnO、AlN、GaN等。压电半导体具有压电材料和半导体材料双重物理特性，还具有高热导率、高电子饱和、高漂移速度和大临界击穿电压等优点，所以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，在航空航天、军事、卫星通信、汽车、石油开采等领域得到了很高的重视，有着广泛的应用前景。

在电子器件的使用过程中，半导体器件失效占电子器件失效的一半以上，半导体器件失效通常是因为材料内部的局部应力超过了它们的最大额定值，特别对于目前技术前沿的压电半导体器件，同样存在较大失效率的问题，所以对压电半导体材料的损伤失效性研究尤为重要。对压电半导体材料失效机理的实验研究，可以提高压电半导体器件产品的设计质量，有助于提高电子设备的可靠性，对加快压电半导体器件的研制速度，提高压电半导体器件的成品率和可靠性均具有重要的意义。我国近年来也在加强失效分析和失效机理方面的研究，并建立了一些专业实验室，完善开展可靠性研究的基础和条件。但目前的研究大多是基于失效分析与检测技术、可靠性评价等发面来展开研究，而对于半导体器件的本征材料损伤机理与数理模型方面研究甚少，对于压电半导体材料多场耦合环境下的断裂失效研究更没有相关的实验装置。

一般而言，压电半导体材料是脆性材料，在制造、极化和使用过程中，可能产生如裂纹、孔洞、夹杂等缺陷；在实际应用过程中，压电半导体器件往往需要承受严酷的环境条件，如机械应力场、热应力场、电压场和电流场等，同时电气应力、化学应力、辐射应力及其他因素都会致使压电半导体器件表现出很强的非线性和大应变，容易在缺陷附近出现力和电载荷的集中，在一定条件下会导致缺陷扩展，最终造成压电半导体器件的断裂失效。

特别是压电半导体，本身具备压电性质，在受力或者振动过程中会产生压电电荷，对裂纹或缺陷的扩展产生非常复杂的影响，因此实验研究各应力场以及耦合应力场对压电半导体材料的断裂失效机理，并总结出压电半导体材料的断裂失效数理模型，对压电半导体器件设计具有十分重要的科学意义及实用价值。压电半导体材料耦合了压电材料和半导体材料双重物理性质，研究压电半导体材料断裂失效力学实验问题，需要在机械应力场、电流场、高电压场及其耦合场加载环境下进行；压电半导体具备宽禁带半导体的物理性质，给压电半导体提供超高电压场加载技术和普通的压电介电材料有很大区别，并且要求实验装置具备极高的调节、存储、记录精度，还要考虑系统整体的绝缘性能，因此，对实验加载装置和加载绝缘环境都提出了很高的要求；然而目前还没有针对压电半导体材料这一断裂失效机理进行研究和测试的标准和装置。

技术实现要素：

本发明目的是为解决上述现有技术中存在的问题而提出一种压电半导体断裂失效的多场耦合加载实验装置，研究在机械应力场、电流场、高电压场及其耦合场加载环境下压电半导体材料的断裂损伤和断裂韧性，积累压电半导体材料对于不同物理场环境的敏感程度，从而探索上述物理场对压电半导体材料的损伤机理，这对提高压电半导体器件的设计质量具有十分重要的科学依据和实用价值。

本发明为解决上述问题所采取的技术方案是：一种压电半导体断裂失效的多场耦合加载实验装置，包括底板，在底板上固定有基座，在基座顶部的正中间设有对中凹槽，在基座的顶部水平设有燕尾滑槽，在燕尾滑槽内滑动连接有左支臂和右支臂且在左支臂和右支臂上均设有第一锁紧螺栓，所述左支臂和右支臂相对称，在基座前表面的顶部沿着燕尾滑槽轴线方向设有刻度线；在左支臂和右支臂的顶部均设有支撑辊槽，所述支撑辊槽的轴线垂直于燕尾滑槽轴线，在支撑辊槽内放置有支承辊，所述支承辊采用绝缘材质且支承辊具有相应要求的强度和硬度，在支承辊上放置待测试样，所述支撑辊槽宽度为支承辊直径的1.1～1.3倍，支撑辊槽深度大于支承辊半径且小于支撑辊直径。

进一步，所述支承辊两端均设有环形凹槽；在左支臂或右支臂上设有滑孔，所述滑孔轴线与燕尾滑槽轴线平行，在滑孔内滑动连接有滑条，在左支臂或右支臂上设有用于紧固滑条的第二锁紧螺栓，在滑条上设有用于标示滑动距离的刻度线，在滑条的外端一体设有横向定位端，所述横向定位端的端面为平整面且与待测试样端面对齐；在基座后面的底板上固定有滑座，在滑座内设有滑道，所述滑道轴线与燕尾滑槽轴线垂直，在滑道内滑动连接有竖直设置的滑板，在滑座上设有用于紧固滑板的第三锁紧螺栓、用于标示滑动距离的刻度线，在滑板的顶端一体设有纵向定位爪，所述纵向定位爪的端面为平整面且与待测试样侧面对齐。

进一步，所述左支臂和右支臂相对的内侧面顶端均为倒角。

进一步，还包括试样压头，所述试样压头的前端固定有加载辊，所述加载辊采用绝缘材质且加载辊具有相应要求的强度和硬度。

进一步，还包括顶部开口的长方体盒子，所述长方体盒子的底面为聚四氟乙烯固体绝缘材料，长方体盒子的前面为光学玻璃，长方体盒子的另外三个侧面为有机玻璃；所述底板通过内六角螺栓固定在长方体盒子的内底面上，在长方体盒子内盛有二甲基硅油并淹没待测试样，在长方体盒子侧面设有进线口、出线口、进油口和出油口。

进一步，在长方体盒子的内底面上设有与内六方螺栓相配合的螺纹盲孔。

本发明所具有的有益效果为：本实验装置通过对中凹槽、基座前表面的刻度线、左支臂和右支臂的设置实现了实验对压电半导体待测试样支撑点对中性的精度要求，满足了在单一机械应力场作用下压电半导体的断裂韧性实验要求；进一步，支承辊、试样压头的加载辊均采用了氮化硅陶瓷绝缘材质既满足了实验对绝缘的要求也达到了相应要求的强度和硬度；同时，长方体盒子采用耐用的有机玻璃、便于观察实验现象的光学玻璃、聚四氟乙烯绝缘的底面组成一体，并在长方体盒子内盛装具有无色无味、透明度高、绝缘特点的二甲基硅油，提供了一种适合电流场、高电压场及其耦合场作用的绝缘环境，解决了在加载电流场、高电压场及其耦合场时出现击穿空气或高压电弧放电而影响实验数据的问题，从而实现了一种有效的机械应力场、电流场、高电压场及其耦合作用时的压电半导体断裂失效的多场耦合加载实验装置。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为图1中沿箭头A方向的立体结构示意图；

图3为长方体盒子的立体结构示意图；

图4为试样压头的立体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步描述。

如图1和图2所示，一种压电半导体断裂失效的多场耦合加载实验装置，包括底板2，在底板2上固定有基座18，在基座18顶部的正中间设有对中凹槽16，利用对中凹槽16来保证基座18在实验时居中位置的精度，在基座18的顶部水平设有燕尾滑槽3，在燕尾滑槽3内滑动连接有左支臂12和右支臂5且在左支臂12和右支臂5上均设有第一锁紧螺栓4，所述左支臂12和右支臂5相对称，在基座18前表面的顶部沿着燕尾滑3槽轴线方向设有刻度线17；在左支臂12和右支臂5的顶部均设有支撑辊槽，所述支撑辊槽的轴线垂直于燕尾滑槽3轴线，在支撑辊槽内放置有支承辊7，所述支承辊7采用绝缘材质且支承辊7具有相应要求的强度和硬度，如氮化硅陶瓷材质，在支承辊7上放置待测试样9，所述支撑辊槽宽度为支承辊7直径的1.1～1.3倍，支撑辊槽深度大于支承辊7半径且小于支撑辊7直径。

为了进一步对待测试样9进行定位，所述支承辊7两端均设有环形凹槽11；在左支臂12或右支臂5上设有滑孔6，所述滑孔6轴线与燕尾滑槽3轴线平行，在滑孔6内滑动连接有滑条15，在左支臂12或右支臂5上设有用于紧固滑条15的第二锁紧螺栓13，在滑条15上设有用于标示滑动距离的刻度线，在滑条15的外端一体设有横向定位端10，所述横向定位端10的端面为平整面且与待测试样9端面对齐；在基座18后面的底板2上固定有滑座21，在滑座21内设有滑道22，所述滑道22轴线与燕尾滑槽3轴线垂直，在滑道22内滑动连接有竖直设置的滑板19，在滑座21上设有用于紧固滑板19的第三锁紧螺栓23、用于标示滑动距离的刻度线20，在滑板19的顶端一体设有纵向定位爪8，所述纵向定位爪8的端面为平整面且与待测试样9侧面对齐。

为了防止在待测试样9中间在受力向下弯曲变形时收到左支臂12或右支臂5顶部的碰触而影响实验数据，所述左支臂12和右支臂5相对的内侧面顶端均为倒角14，也便于待测试样断裂时滑落。

如图3和图4所示，为了满足待测试样9两端在加载电流场、高电压场及其耦合场时出现击穿空气或高压电弧放电而影响实验数据，还包括试样压头28和顶部开口的长方体盒子26，所述试样压头28的前端固定有加载辊29，所述加载辊29采用绝缘材质且加载辊29具有相应要求的强度和硬度，如氮化硅陶瓷材质；所述长方体盒子26的底面27为聚四氟乙烯固体绝缘材料，聚四氟乙烯固体绝缘材料经过钠化处理以便于与有机玻璃或光学玻璃相结合，长方体盒子26的前面为光学玻璃，方便了观察实验现象，长方体盒子26的另外三个侧面为有机玻璃；所述底板2通过内六角螺栓1固定在长方体盒子26的内底面上，在长方体盒子26内盛有二甲基硅油并淹没待测试样，二甲基硅油具有无色无味、透明度高、绝缘的特点是最佳选择；同时在长方体盒子26侧面设有进线口、出线口、进油口25和出油口24，在进油口25和出油口24处均设有控制开关。

为了防止长期使用后二甲基硅油的外漏，在长方体盒子26的内底面27上设有与内六方螺栓1相配合的螺纹盲孔。

本实验装置在使用时，若是单一机械应力场作用，首先将本实验装置放置在试验机的压头正下方，向下移动试验机的压头能够位于对中凹槽16内，以保证基座18居中位置的精度，然后根据刻度线17左右等距滑动左支臂12和右支臂5，将两个支承辊7分别放在支承辊槽内并使用弱弹性的橡皮筋勾在环形凹槽11内以对支承辊7进行初步预定位，保证初始跨距的准确，根据待测试样9的尺寸大小，左右滑动滑条15并根据其上面的刻度线将横向定位端10定位好，旋紧第二锁紧螺栓13；放上待测试样9并保证其端面与横向定位端10端面对齐，接着滑动滑板19并根据刻度线20将纵向定位爪8定位好，旋紧第三锁紧螺栓23，保证待测试样9侧面与纵向定位爪8端面对齐；最后将横向定位端10和纵向定位爪8移开即完成待测试样9的放置保证了待测试样9与对中凹槽16、试验机的压头的高精度对中；即可对待测试样9进行断裂韧性实验。

本实验装置在使用时，若是电流场、高电压场及其耦合场作用，首先将试样压头28安装在试验机上换掉原来的压头，然后将底板2通过内六方螺栓1固定在长方体盒子26的内底面27上，接着将本实验装置放置在试样压头28的正下方，待测试样9的放置对中定位与上述单一机械应力场作用下进行的实验步骤一样不再赘述，最后在长方体盒子26内盛装二甲基硅油并淹没待测试样9达到合适的液面高度，接着即可对待测试样9进行断裂韧性实验，由于二甲基硅油具有无色无味、透明度高、绝缘的特点从而满足了实验所需要的绝缘环境，即使待测试样9压断后高压输出线掉在长方体盒子26内也不会将电荷传到其它设备上，保证了实验的安全性。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语 “纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、 “水平”、“顶”、“底”、“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，仅是为便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本发明保护内容的限制。

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。