本發(fā)明屬于壓電半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種壓電半導(dǎo)體斷裂失效的多場耦合加載實驗裝置。

背景技術(shù)：

隨著半導(dǎo)體材料和壓電材料技術(shù)的快速發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)了一種兼有壓電性質(zhì)的半導(dǎo)體材料即壓電半導(dǎo)體，如CdS、CdSe、ZnO、AlN、GaN等。壓電半導(dǎo)體具有壓電材料和半導(dǎo)體材料雙重物理特性，還具有高熱導(dǎo)率、高電子飽和、高漂移速度和大臨界擊穿電壓等優(yōu)點，所以成為研制高頻大功率、耐高溫、抗輻照半導(dǎo)體微電子器件和電路的理想材料，在航空航天、軍事、衛(wèi)星通信、汽車、石油開采等領(lǐng)域得到了很高的重視，有著廣泛的應(yīng)用前景。

在電子器件的使用過程中，半導(dǎo)體器件失效占電子器件失效的一半以上，半導(dǎo)體器件失效通常是因為材料內(nèi)部的局部應(yīng)力超過了它們的最大額定值，特別對于目前技術(shù)前沿的壓電半導(dǎo)體器件，同樣存在較大失效率的問題，所以對壓電半導(dǎo)體材料的損傷失效性研究尤為重要。對壓電半導(dǎo)體材料失效機(jī)理的實驗研究，可以提高壓電半導(dǎo)體器件產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量，有助于提高電子設(shè)備的可靠性，對加快壓電半導(dǎo)體器件的研制速度，提高壓電半導(dǎo)體器件的成品率和可靠性均具有重要的意義。我國近年來也在加強(qiáng)失效分析和失效機(jī)理方面的研究，并建立了一些專業(yè)實驗室，完善開展可靠性研究的基礎(chǔ)和條件。但目前的研究大多是基于失效分析與檢測技術(shù)、可靠性評價等發(fā)面來展開研究，而對于半導(dǎo)體器件的本征材料損傷機(jī)理與數(shù)理模型方面研究甚少，對于壓電半導(dǎo)體材料多場耦合環(huán)境下的斷裂失效研究更沒有相關(guān)的實驗裝置。

一般而言，壓電半導(dǎo)體材料是脆性材料，在制造、極化和使用過程中，可能產(chǎn)生如裂紋、孔洞、夾雜等缺陷；在實際應(yīng)用過程中，壓電半導(dǎo)體器件往往需要承受嚴(yán)酷的環(huán)境條件，如機(jī)械應(yīng)力場、熱應(yīng)力場、電壓場和電流場等，同時電氣應(yīng)力、化學(xué)應(yīng)力、輻射應(yīng)力及其他因素都會致使壓電半導(dǎo)體器件表現(xiàn)出很強(qiáng)的非線性和大應(yīng)變，容易在缺陷附近出現(xiàn)力和電載荷的集中，在一定條件下會導(dǎo)致缺陷擴(kuò)展，最終造成壓電半導(dǎo)體器件的斷裂失效。

特別是壓電半導(dǎo)體，本身具備壓電性質(zhì)，在受力或者振動過程中會產(chǎn)生壓電電荷，對裂紋或缺陷的擴(kuò)展產(chǎn)生非常復(fù)雜的影響，因此實驗研究各應(yīng)力場以及耦合應(yīng)力場對壓電半導(dǎo)體材料的斷裂失效機(jī)理，并總結(jié)出壓電半導(dǎo)體材料的斷裂失效數(shù)理模型，對壓電半導(dǎo)體器件設(shè)計具有十分重要的科學(xué)意義及實用價值。壓電半導(dǎo)體材料耦合了壓電材料和半導(dǎo)體材料雙重物理性質(zhì)，研究壓電半導(dǎo)體材料斷裂失效力學(xué)實驗問題，需要在機(jī)械應(yīng)力場、電流場、高電壓場及其耦合場加載環(huán)境下進(jìn)行；壓電半導(dǎo)體具備寬禁帶半導(dǎo)體的物理性質(zhì)，給壓電半導(dǎo)體提供超高電壓場加載技術(shù)和普通的壓電介電材料有很大區(qū)別，并且要求實驗裝置具備極高的調(diào)節(jié)、存儲、記錄精度，還要考慮系統(tǒng)整體的絕緣性能，因此，對實驗加載裝置和加載絕緣環(huán)境都提出了很高的要求；然而目前還沒有針對壓電半導(dǎo)體材料這一斷裂失效機(jī)理進(jìn)行研究和測試的標(biāo)準(zhǔn)和裝置。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是為解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題而提出一種壓電半導(dǎo)體斷裂失效的多場耦合加載實驗裝置，研究在機(jī)械應(yīng)力場、電流場、高電壓場及其耦合場加載環(huán)境下壓電半導(dǎo)體材料的斷裂損傷和斷裂韌性，積累壓電半導(dǎo)體材料對于不同物理場環(huán)境的敏感程度，從而探索上述物理場對壓電半導(dǎo)體材料的損傷機(jī)理，這對提高壓電半導(dǎo)體器件的設(shè)計質(zhì)量具有十分重要的科學(xué)依據(jù)和實用價值。

本發(fā)明為解決上述問題所采取的技術(shù)方案是：一種壓電半導(dǎo)體斷裂失效的多場耦合加載實驗裝置，包括底板，在底板上固定有基座，在基座頂部的正中間設(shè)有對中凹槽，在基座的頂部水平設(shè)有燕尾滑槽，在燕尾滑槽內(nèi)滑動連接有左支臂和右支臂且在左支臂和右支臂上均設(shè)有第一鎖緊螺栓，所述左支臂和右支臂相對稱，在基座前表面的頂部沿著燕尾滑槽軸線方向設(shè)有刻度線；在左支臂和右支臂的頂部均設(shè)有支撐輥槽，所述支撐輥槽的軸線垂直于燕尾滑槽軸線，在支撐輥槽內(nèi)放置有支承輥，所述支承輥采用絕緣材質(zhì)且支承輥具有相應(yīng)要求的強(qiáng)度和硬度，在支承輥上放置待測試樣，所述支撐輥槽寬度為支承輥直徑的1.1～1.3倍，支撐輥槽深度大于支承輥半徑且小于支撐輥直徑。

進(jìn)一步，所述支承輥兩端均設(shè)有環(huán)形凹槽；在左支臂或右支臂上設(shè)有滑孔，所述滑孔軸線與燕尾滑槽軸線平行，在滑孔內(nèi)滑動連接有滑條，在左支臂或右支臂上設(shè)有用于緊固滑條的第二鎖緊螺栓，在滑條上設(shè)有用于標(biāo)示滑動距離的刻度線，在滑條的外端一體設(shè)有橫向定位端，所述橫向定位端的端面為平整面且與待測試樣端面對齊；在基座后面的底板上固定有滑座，在滑座內(nèi)設(shè)有滑道，所述滑道軸線與燕尾滑槽軸線垂直，在滑道內(nèi)滑動連接有豎直設(shè)置的滑板，在滑座上設(shè)有用于緊固滑板的第三鎖緊螺栓、用于標(biāo)示滑動距離的刻度線，在滑板的頂端一體設(shè)有縱向定位爪，所述縱向定位爪的端面為平整面且與待測試樣側(cè)面對齊。

進(jìn)一步，所述左支臂和右支臂相對的內(nèi)側(cè)面頂端均為倒角。

進(jìn)一步，還包括試樣壓頭，所述試樣壓頭的前端固定有加載輥，所述加載輥采用絕緣材質(zhì)且加載輥具有相應(yīng)要求的強(qiáng)度和硬度。

進(jìn)一步，還包括頂部開口的長方體盒子，所述長方體盒子的底面為聚四氟乙烯固體絕緣材料，長方體盒子的前面為光學(xué)玻璃，長方體盒子的另外三個側(cè)面為有機(jī)玻璃；所述底板通過內(nèi)六角螺栓固定在長方體盒子的內(nèi)底面上，在長方體盒子內(nèi)盛有二甲基硅油并淹沒待測試樣，在長方體盒子側(cè)面設(shè)有進(jìn)線口、出線口、進(jìn)油口和出油口。

進(jìn)一步，在長方體盒子的內(nèi)底面上設(shè)有與內(nèi)六方螺栓相配合的螺紋盲孔。

本發(fā)明所具有的有益效果為：本實驗裝置通過對中凹槽、基座前表面的刻度線、左支臂和右支臂的設(shè)置實現(xiàn)了實驗對壓電半導(dǎo)體待測試樣支撐點對中性的精度要求，滿足了在單一機(jī)械應(yīng)力場作用下壓電半導(dǎo)體的斷裂韌性實驗要求；進(jìn)一步，支承輥、試樣壓頭的加載輥均采用了氮化硅陶瓷絕緣材質(zhì)既滿足了實驗對絕緣的要求也達(dá)到了相應(yīng)要求的強(qiáng)度和硬度；同時，長方體盒子采用耐用的有機(jī)玻璃、便于觀察實驗現(xiàn)象的光學(xué)玻璃、聚四氟乙烯絕緣的底面組成一體，并在長方體盒子內(nèi)盛裝具有無色無味、透明度高、絕緣特點的二甲基硅油，提供了一種適合電流場、高電壓場及其耦合場作用的絕緣環(huán)境，解決了在加載電流場、高電壓場及其耦合場時出現(xiàn)擊穿空氣或高壓電弧放電而影響實驗數(shù)據(jù)的問題，從而實現(xiàn)了一種有效的機(jī)械應(yīng)力場、電流場、高電壓場及其耦合作用時的壓電半導(dǎo)體斷裂失效的多場耦合加載實驗裝置。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的立體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1中沿箭頭A方向的立體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為長方體盒子的立體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為試樣壓頭的立體結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)一步描述。

如圖1和圖2所示，一種壓電半導(dǎo)體斷裂失效的多場耦合加載實驗裝置，包括底板2，在底板2上固定有基座18，在基座18頂部的正中間設(shè)有對中凹槽16，利用對中凹槽16來保證基座18在實驗時居中位置的精度，在基座18的頂部水平設(shè)有燕尾滑槽3，在燕尾滑槽3內(nèi)滑動連接有左支臂12和右支臂5且在左支臂12和右支臂5上均設(shè)有第一鎖緊螺栓4，所述左支臂12和右支臂5相對稱，在基座18前表面的頂部沿著燕尾滑3槽軸線方向設(shè)有刻度線17；在左支臂12和右支臂5的頂部均設(shè)有支撐輥槽，所述支撐輥槽的軸線垂直于燕尾滑槽3軸線，在支撐輥槽內(nèi)放置有支承輥7，所述支承輥7采用絕緣材質(zhì)且支承輥7具有相應(yīng)要求的強(qiáng)度和硬度，如氮化硅陶瓷材質(zhì)，在支承輥7上放置待測試樣9，所述支撐輥槽寬度為支承輥7直徑的1.1～1.3倍，支撐輥槽深度大于支承輥7半徑且小于支撐輥7直徑。

為了進(jìn)一步對待測試樣9進(jìn)行定位，所述支承輥7兩端均設(shè)有環(huán)形凹槽11；在左支臂12或右支臂5上設(shè)有滑孔6，所述滑孔6軸線與燕尾滑槽3軸線平行，在滑孔6內(nèi)滑動連接有滑條15，在左支臂12或右支臂5上設(shè)有用于緊固滑條15的第二鎖緊螺栓13，在滑條15上設(shè)有用于標(biāo)示滑動距離的刻度線，在滑條15的外端一體設(shè)有橫向定位端10，所述橫向定位端10的端面為平整面且與待測試樣9端面對齊；在基座18后面的底板2上固定有滑座21，在滑座21內(nèi)設(shè)有滑道22，所述滑道22軸線與燕尾滑槽3軸線垂直，在滑道22內(nèi)滑動連接有豎直設(shè)置的滑板19，在滑座21上設(shè)有用于緊固滑板19的第三鎖緊螺栓23、用于標(biāo)示滑動距離的刻度線20，在滑板19的頂端一體設(shè)有縱向定位爪8，所述縱向定位爪8的端面為平整面且與待測試樣9側(cè)面對齊。

為了防止在待測試樣9中間在受力向下彎曲變形時收到左支臂12或右支臂5頂部的碰觸而影響實驗數(shù)據(jù)，所述左支臂12和右支臂5相對的內(nèi)側(cè)面頂端均為倒角14，也便于待測試樣斷裂時滑落。

如圖3和圖4所示，為了滿足待測試樣9兩端在加載電流場、高電壓場及其耦合場時出現(xiàn)擊穿空氣或高壓電弧放電而影響實驗數(shù)據(jù)，還包括試樣壓頭28和頂部開口的長方體盒子26，所述試樣壓頭28的前端固定有加載輥29，所述加載輥29采用絕緣材質(zhì)且加載輥29具有相應(yīng)要求的強(qiáng)度和硬度，如氮化硅陶瓷材質(zhì)；所述長方體盒子26的底面27為聚四氟乙烯固體絕緣材料，聚四氟乙烯固體絕緣材料經(jīng)過鈉化處理以便于與有機(jī)玻璃或光學(xué)玻璃相結(jié)合，長方體盒子26的前面為光學(xué)玻璃，方便了觀察實驗現(xiàn)象，長方體盒子26的另外三個側(cè)面為有機(jī)玻璃；所述底板2通過內(nèi)六角螺栓1固定在長方體盒子26的內(nèi)底面上，在長方體盒子26內(nèi)盛有二甲基硅油并淹沒待測試樣，二甲基硅油具有無色無味、透明度高、絕緣的特點是最佳選擇；同時在長方體盒子26側(cè)面設(shè)有進(jìn)線口、出線口、進(jìn)油口25和出油口24，在進(jìn)油口25和出油口24處均設(shè)有控制開關(guān)。

為了防止長期使用后二甲基硅油的外漏，在長方體盒子26的內(nèi)底面27上設(shè)有與內(nèi)六方螺栓1相配合的螺紋盲孔。

本實驗裝置在使用時，若是單一機(jī)械應(yīng)力場作用，首先將本實驗裝置放置在試驗機(jī)的壓頭正下方，向下移動試驗機(jī)的壓頭能夠位于對中凹槽16內(nèi)，以保證基座18居中位置的精度，然后根據(jù)刻度線17左右等距滑動左支臂12和右支臂5，將兩個支承輥7分別放在支承輥槽內(nèi)并使用弱彈性的橡皮筋勾在環(huán)形凹槽11內(nèi)以對支承輥7進(jìn)行初步預(yù)定位，保證初始跨距的準(zhǔn)確，根據(jù)待測試樣9的尺寸大小，左右滑動滑條15并根據(jù)其上面的刻度線將橫向定位端10定位好，旋緊第二鎖緊螺栓13；放上待測試樣9并保證其端面與橫向定位端10端面對齊，接著滑動滑板19并根據(jù)刻度線20將縱向定位爪8定位好，旋緊第三鎖緊螺栓23，保證待測試樣9側(cè)面與縱向定位爪8端面對齊；最后將橫向定位端10和縱向定位爪8移開即完成待測試樣9的放置保證了待測試樣9與對中凹槽16、試驗機(jī)的壓頭的高精度對中；即可對待測試樣9進(jìn)行斷裂韌性實驗。

本實驗裝置在使用時，若是電流場、高電壓場及其耦合場作用，首先將試樣壓頭28安裝在試驗機(jī)上換掉原來的壓頭，然后將底板2通過內(nèi)六方螺栓1固定在長方體盒子26的內(nèi)底面27上，接著將本實驗裝置放置在試樣壓頭28的正下方，待測試樣9的放置對中定位與上述單一機(jī)械應(yīng)力場作用下進(jìn)行的實驗步驟一樣不再贅述，最后在長方體盒子26內(nèi)盛裝二甲基硅油并淹沒待測試樣9達(dá)到合適的液面高度，接著即可對待測試樣9進(jìn)行斷裂韌性實驗，由于二甲基硅油具有無色無味、透明度高、絕緣的特點從而滿足了實驗所需要的絕緣環(huán)境，即使待測試樣9壓斷后高壓輸出線掉在長方體盒子26內(nèi)也不會將電荷傳到其它設(shè)備上，保證了實驗的安全性。

在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語 “縱向”、“橫向”、“前”、“后”、“左”、“右”、 “水平”、“頂”、“底”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗指所指的裝置或元件必須具有特定的方位、為特定的方位構(gòu)造和操作，因而不能理解為對本發(fā)明保護(hù)內(nèi)容的限制。

如果本文中使用了“第一”、“第二”等詞語來限定零部件的話，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該知曉：“第一”、“第二”的使用僅僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，如沒有另外聲明，上述詞語并沒有特殊的含義。

最后應(yīng)說明的是：以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換，但這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術(shù)方案的精神和范圍。