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关键词： 玛多Ms7.4地震   密集台阵   横波分裂   上地壳各向异性   应力场  

摘要： 印度板块向欧亚板块的持续北向推挤作用造就了地球上海拔最高、面积最大的高原——青藏高原,同时导致了青藏高原地区剧烈的地壳变形。位于青藏高原北部的巴颜喀拉块体作为高原隆升变形发展的前缘,构造变形剧烈,断裂系统十分发育,孕育了一系列的强震活动。分析巴颜喀拉块体的地震各向异性、地壳变形和地质构造活动等状态对深入探讨青藏高原的形成过程和大陆内部强震孕震机制等地球动力学问题具有重要的科研价值。2021年5月发生于巴颜喀拉块体东北边界附近的玛多Ms7.4地震及其丰富的余震序列为开展该地区的地震各向异性研究工作提供了数据保障。横波分裂作为判断地球内部介质具有各向异性最明显的表现形式,是研究震源区的区域构造特征和区域应力场动态变化等各向异性特征最有效的工具之一。利用横波分裂分析测量方法对震源区地震各向异性进行测量对研究青藏高原地区的深部构造和强震孕育环境等问题具有重要的意义。本文利用玛多7.4级地震科考密集台阵150个台站和固定台站MAD记录的近震波形数据,采用横波分裂分析方法测量,总计得到22518对有效横波分裂参数,并由此获得了震源区上地壳地震各向异性特征。结果显示,玛多震源区各台站得到的快波偏振方向和慢波延迟时间存在着明显的空间分区特征,但未能表现出随时间的规律性变化特征。最明显的横波分裂特征表现在沿主破裂余震密集区,快波偏振方向呈现出与主破裂带走向和余震序列展布较好的一致性,沿主破裂余震密集区各台站所得到的慢波时间延迟明显大于南北两侧余震密集区外台站的慢波延迟时间,且包括主震在内余震最为密集的主破裂东段的慢波延迟时间大于中段和西段,主破裂附近北侧的慢波延迟时间大于南侧。主破裂余震密集区外两侧台站的慢波延迟时间随着台站与主破裂距离的增大而逐渐减少,到一定距离后,慢波延迟时间趋于稳定。这些特征反映了玛多Ms7.4地震孕育过程中,应力积累主要集中在沿主破裂余震密集区,且主破裂东段的应力积累要强于中段和西段,主破裂附近的应力积累北侧强于南侧,随着距主破裂距离的增加,应力积累效应减弱,到一定距离后变得很弱。由于科考密集台阵在主震后第12天才开始布设并投入观测,这时主震和大部分强余震已经发生,并且中小地震的最高峰也过去,余震频次趋于稳定,孕震过程中积累的应力尚未释放完全,应力释放和调整过程还将持续一段时间,因此,在余震活动观测期内,未发现横波分裂参数时间变化的规律性。

关键词： 青少年特发性脊柱侧凸   三维有限元   应力分析  

摘要： 研究背景青少年特发性脊柱侧凸(adolescent idiopathic scoliosis,AIS)是发生于青春期最常见的脊柱畸形,对于轻度AIS患者,运动治疗对AIS有一定的疗效,但还存在一定的争议,尚未形成共识。利用三维有限元分析技术进行脊柱侧凸的生物力学研究已有多年历史,该技术可以克服传统实验方法需大量实体标本、数据处理繁琐复杂等方面的局限性,已成为研究脊柱侧凸生物力学的良好方法。但目前针对AIS的三维有限元分析主要针对重度患者,尚未有专门针对轻度AIS患者的三维有限元分析。研究目的本课题旨在构建一例AIS患者的三维有限元模型,验证有限元模型的有效性,并进行有限元分析。研究方法1.获取一例轻度AIS患者第6颈椎至第5腰椎的CT薄层数据,通过建立骨性模型、边界修改及网格划分等构建AIS患者的三维有限元模型,并对该模型进行验证。2.利用Ansys分析软件对AIS患者的三维有限元模型进行有限元分析,模拟在前屈、后伸、左侧屈、右侧屈、左旋转、右旋转六种运动下该模型的应力变化。3.结合脊柱的解剖特点及患者脊柱侧凸的畸形类型,分析该轻度AIS患者的应力分布情况。结果及结论1.构建了轻度AIS患者的三维有限元模型。2.从几何形态及力学情况两方面验证了该模型的有效性。3.右侧屈时第6颈椎的位移变化最大,位移值为105.26mm。4.右旋转时全节段椎体承受的应力最大,前屈、后伸时第6颈椎的应力最大,静态时及左、右侧屈时第2胸椎的应力最大,左旋转时第3胸椎的应力最大,右旋转时第7颈椎的应力最大;静态、前屈时第2、3胸椎间盘的应力最大,后伸时第3、4胸椎间盘的应力最大,左、右侧屈和右旋转时第6、7颈椎间盘的应力最大,左旋转时第4、5胸椎间盘的应力最大。

关键词： 硒化锑   光电性能   DFT   应力   外电场  

摘要： 近年来,随着清洁能源发展进程的不断加快,高效、低成本、无污染的薄膜光伏吸收材料受到了广泛的关注。硒化锑(SbSe)是一种具有优异光电性能的光伏材料,作为一种潜在的吸光半导体引起了广泛的关注。SbSe对可见光具有高吸收系数(>10cm),且带隙(在1.1-1.3 e V内)较窄,非常适合制造成高效、稳定的薄膜光伏材料。然而,目前SbSe的效率仍远未达到其预测的理论光电转化效率。应力、电场和缺陷不可避免地存在于SbSe器件中,但是目前缺乏对它们与SbSe光电性能定量关系的认识,制约了其光电转换效率的进一步提高。本研究通过施加应力和电场,使用第一性原理计算系统地研究了外部因素(应力和电场)对SbSe光电性能的影响,得出了受应力或电场与SbSe光电性能关系的内在联系。此外,我们还分析了TiO/SbSe异质界面缺陷的能带对齐,结果表明部分TiO缺陷的存在能提高SbSe器件的转化效率。总而言之,本文通过探究应力、电场和缺陷对SbSe器件光电性能的影响,寻找有利于提高SbSe器件光电转化效率的因素。并且通过对比已知的一些SbSe光伏材料性能的理论和实验数据,增强了本文理论计算研究的可信度。本文的主要研究内容如下:(1)应力调控SbSe光电性能的第一性原理研究。本研究采用SbSe作为研究对象,通过改变SbSe的晶格参数施加应力。首先我们构建了块状和1-10层SbSe模型,采用了密度泛函理论计算方法。通过研究应力下块状和不同层数的SbSe的带隙和光学吸收,发现了应力与层数对带隙和光学吸收的影响。随后,采用光电转换理论系统地计算了应力下1-10层SbSe的光伏参数(短路电流、开路电压、填充因子和光电转换效率),探究它们之间的相互影响机制。结果表明,应力和厚度的耦合可以调控SbSe的带隙。多层SbSe的光伏参数受厚度的影响较强,在一定厚度下,应变对光伏参数的影响可以忽略不计。(2)电场调控SbSe光电性能的第一性原理研究。本研究采用1-10层SbSe作为研究对象,施加的电场在0-0.1 V(?)范围内。我们计算了电场下1-10层SbSe的带隙、光学吸收性质以及四个光伏参数(短路电流、开路电压、填充因子和光电转换效率),探究这些参数之间的内在影响机制。结果表明,电场和厚度的耦合可以调控SbSe的带隙。此外,电场的存在降低了SbSe的转换效率。因此,制造SbSe器件时应避免电场存在。(3)TiO/SbSe异质界面能带排列的第一性原理研究。本研究以TiO/SbSe为研究对象,通过Anderson规则和Kraut规则研究了SbSe(100),(010)和(001)与TiO界面的能带排列,以及界面缺陷的能带排列。通过对比缺陷存在前后两种方法计算得到的带偏移,分析了缺陷对界面电子结构的影响。结果表明,SbSe不具有明显的界面晶向依赖性。Anderson规则和Kraut规则计算的TiO/SbSe(001)的结果存在差异,这意味着其界面相互作用较大。此外,缺陷对TiO/SbSe异质界面的作用是不可忽视的。值得注意的是,V的存在使能带排列呈尖峰状,并出现一个0.43 e V导带差。一般来说,导带差值在0.4 e V左右是提高材料的转换效率较适合的值。

关键词： 预应力混凝土筒仓   有限元   监测   温度   应力  

摘要： 混凝土筒仓作为一种高效的贮料结构被广泛应用。环境温度变化如季节温差、日照温差等都将产生显著的温度效应,筒仓结构随容量与直径增加受力变化更加复杂,甚至运营中的筒仓结构出现了坍塌案例。因此,有必要对大直径预应力筒仓运营期的应力变化、温度变化进行长期监测,分析实测数据并明确运营期温度作用对筒仓受力性能的影响。本文以寒冷地区—石家庄某热电厂新建预应力混凝土贮煤筒仓为研究对象,主要研究内容及成果如下:（1）分析筒仓年度温度监测数据,明确了结构环向与竖向的时变温度变化规律。实测结果表明:结构沿环向温度变化较大,向阳面与背阴面最大温差约为5℃,结构沿竖向高度温度变化较小,温度取值可视为常量。在寒冷地区,《钢筋混凝土筒仓设计标准》（GB 50077—2017）中4.3.7公式计算日照温差时按半圆考虑（180°）,按此公式计算结果与实测结果有差异性,建议在设计时内外温差取值应按全圆考虑（360°）不应只考虑太阳日照范围内半圆取值,并提出修订公式。（2）归纳仓壁煤侧压力与钢筋应力实测数据,分析了温度作用下贮料荷载变化对仓壁煤侧压力与钢筋应力的影响。分析结果表明:仓壁煤侧压力在温度作用影响下,储料计算高度9.5m范围内煤侧压力呈线性变化,储料计算高度超过9.5m时煤侧压力呈非线性变化。在高温、满仓、寒流三种工况下钢筋应力变化外侧受温度影响较大,内侧影响较小。环向钢筋应力变化受温度影响较为明显,应力变化伴随太阳移动轨迹;竖向钢筋应力变化影响较小,变化幅度基本一致。钢筋应力变化具体表现为温度升高,应力增大,外侧应力变化过大会引起内侧钢筋应力的波动。（3）采用ANSYS有限元软件建立有限元模型,对整体温升温降,冬季与夏季内外温差,冬季与夏季日照温差六种工况进行热-结构耦合分析,对比分析实测值与有限元计算值,明确了温度与贮料共同作用下仓壁钢筋位置的应力增量变化规律:1)对预应力筒仓进行季节温差和贮料侧压力的热力耦合作用分析,考虑季节温升与季节温降两种不同的情况,整体温升对结构影响较小,整体温降对结构影响较大。季节温差应考虑到跨季节温度变化;2)对预应力筒仓进行内外温差和贮料侧压力的热力耦合作用分析,考虑冬季与夏季两种不同的情况,夏季内外温差作用对结构应力影响较小,冬季内外温差作用对结构应力影响较大;3)对预应力筒仓进行日照温差和贮料侧压力的热力耦合作用分析,考虑冬季与夏季两种不同的情况,冬季与夏季应力变化同日照轨迹变化,温度升高应力增大。温度分布不均匀性导致应力差异性变化。

关键词： 三江侧向碰撞带   丽江-小金河断裂   S波分裂   上地壳地震各向异性   微震拾别   地震定位   地震目录重建   应力   变形  

摘要： 位于青藏高原东南缘的三江侧向碰撞带是研究青藏高原物质东流和印度板块东向下插等科学问题的关键地带,地质构造复杂,变形强烈,地震活动频繁,分布有丰富的金属矿床。三江侧向碰撞带与丽江-小金河断裂交汇区是研究青藏高原地质构造和特提斯-喜马拉雅构造演化的关键窗口,该区域有走滑和张性不同震源机制分布,地壳结构呈现不均匀高低速结构,可能有下地壳流经过该区域的下方,揭示出该区域具有复杂的深部构造和介质变形特征。地震各向异性在地壳和上地幔中广泛存在,上地壳各向异性的主要来源,除了构造或岩性引起的各向异性,更普遍的是应力作用下的裂隙定向排列结构。S波在各向异性介质中传播时会发生分裂现象,产生两个相互正交的S波分量,这种分裂S波携带了波传播所经介质的信息。对于应力诱发的裂隙定向排列各向异性结构,通过S波分裂分析,可以获得区域应力场和断裂构造的信息。为了更好的认识三江侧向碰撞带与丽江-小金河断裂交汇区复杂的岩石圈结构和强烈的变形特征,本研究使用2018年11月-2020年12月三江(面状)流动地震台阵SJ-Array和国家固定地震台站记录到的近场地震波形资料,运用S波分裂分析技术,对中国地震台网中心提供的地震目录(以下简称台网目录)中的小震事件,进行S波分裂分析,研究三江侧向碰撞带与丽江-小金河断裂交汇区上地壳各向异性基本特征。基于密集流动台阵(SJ-Array)和台网目录,本研究得到三江侧向碰撞带与丽江-小金河断裂交汇区的快S波优势偏振方向为NNW,平均快S波偏振方向为161.3°±26.2°。台站快S波偏振方向分布有明显的分区特征,从西至东可分为A、B、C三个区域,平均快S波偏振方向由NNW至NS再到NNE向变化,其中B区又细分为Bn和Bs两个小区。研究区归一化慢S波时间延迟平均值为3.4 ms/km,各台站慢S波时间延迟的平均值范围在1.9-5.2 ms/km。在三个分区中,C区的平均时间延迟最大,A区与B区南部的时间延迟相当,B区北部的时间延迟最小,呈现出局部强各向异性区,揭示了构造作用的局部差异。由于近场上地壳S波分裂分析对数据有非常严苛的要求,根据台网目录获得的地震数目有限,能用于S波分裂分析的有效记录偏少。因此,本文采用深度学习到时识取Phase Net方法和REAL(Rapid Earthquake Association and Location)震相自动关联构建微震目录,使用最小二乘定位法(VELEST)和双差定位方法(Hypo DD)做进一步地震定位,构建高分辨率地震目录,并将拾取到的小震事件记录补充到S波分裂研究中。微震拾取技术可以识别和定位更多的微震事件,为开展S波分裂分析提供了更多有效数据,保障了小尺度区域各向异性研究。经过微震拾取与定位,构建了三江侧向碰撞带与丽江-小金河断裂交汇区高分辨率地震目录,得到高精度的相对定位事件2923个,定位精度优于100 m。相对定位后的地震剖面分布图显示出,研究区内的地震震源深度整体较浅,主要集中分布在20 km以上,但在维西-乔后断裂西侧,剖面AA’和DD’的交汇点处,存在一个地震群,地震深度最深达到40 km;沿川滇菱形地块西边界,地震深度由北到南逐渐变浅;在板块边界两侧,地震深度分布呈现出西侧深,东侧浅的特征。利用基于深度学习拾取的新得到的高精度的相对定位小震事件,进行S波分裂分析,获得17个台站的快S波偏振方向和慢S波时间延迟,增加有效记录数228条。S波分裂研究结果表明,微震拾取到的相较台网目录新得到的地震事件波形清晰、有效。对比台网目录得到的S波分裂结果,利用新获得的(补充的)微震目录得到的S波分裂结果显示出很好的一致性,对基于台网目录得到S波分裂参数有很好的补充,特别是增加了快S波优势偏振方向的一致性。

关键词： 有限元分析   腰椎退变   邻椎病   腰椎斜外侧椎间融合术   应力   稳定性研究   相对活动度  

摘要： 背景:随着腰椎退变性疾病的患者日益增多,目前对于腰椎退变性疾病的生物力学研究相对较少,本文基于有限元分析对斜外侧入路椎间融合器术联合不同内固定装置进行生物力学研究。方法:通过腰椎退变患者的CT数据进行3D建模,提取L1-S1椎体,构建腰椎模型,本实验分析5个有限元模型,包括(1)腰椎退变完整模型、(2)单独OLIF椎间融合器模型(SA)、(3)单侧椎弓根螺钉内固定模型(UPS)、(4)Coflex弹性固定模型、(5)双侧椎弓根螺钉(BPS)内固定模型。使用仿真软件对5个模型进行力学分析。通过提取腰椎退变模型的相对活动度,其余4组手术模型通过设置不同的力矩获得接近完整模型整体活动度,本实验提取并分析近端节段和融合节段的相对运动[ROM],近端节段间盘、小关节突、CAGE、以及内固定应力情况。结果:在各种运动载荷下,手术模型的L3-4的活动度、近端间盘与关节软骨的应力均大于完整模型,SA的手术节段活动度最大且SA组的CAGE的应力最大。BPS组的CAGE应力与活动度最小,而UPS与Coflex相对接近。Coflex的内固定装置的应力最大,而UPS与BPS相对接近。结论:BPS模型为OLIF提供了最佳的生物力学稳定性;SA模型稳定性相对较差,但也降低了手术节段的活动度。UPS与Coflex组的内固定装置降低了融合节段的相对活动度,两者在对于手术节段稳定性能相对接近,但Coflex组的内固定装置所受的应力相对较大。

关键词： 电解槽   仿真   失电   瞬态热场   稳态热场   应力场  

摘要： 铝电解槽生产的能源供应网络涉及的节点较多,存在一些无法预知的危险因素,难免会遇到失电情况的发生。电解槽失电后的热场、应力场研究对应急准备及风险管理具有重要的指导意义。为了得到电解槽失电后电解槽的热场、应力场变化情况,本文通过建立420k A铝电解槽的三维模型,并采用有限元分析软件ANSYS Workbench模拟了失电后槽内热场及应力场的变化情况。(1)建立了电解槽稳态温度场分析模型,计算分析得到了电解槽稳态时的温度场分布情况。建立的稳态温度场与实际测量结果比较,其温度差最大为76℃,最小为7.9℃,个别测量点与实际结果偏差稍大,多数测量点与实际结果较为接近。造成偏差的原因主要是仿真模型存在一定的误差,但大的趋势与实际结果相吻合。同时分析了电解槽外壳和阳极热通量的情况,获知电解槽槽壳两个侧面热通量最大,底部最小,槽壳侧面方钢以上的部分热通量比槽壳方钢以下的部分热通量要大一倍的结果。(2)建立了电解槽失去直流电流输入后电解槽瞬态温度场分析模型,着重分析了电解槽内各个介质的温度变化情况,获取了电解槽失电后随时间延长温度下降情况,得到了电解槽内各个介质的温度随时间下降的曲线。通过仿真分析发现电解槽在失电后30分钟各个介质温度变化较小,2小时左右电解质温度下降10℃左右,4小时左右电解质温度下降到了915℃左右。电解质和铝液的温度呈线性下降,阴极、阳极和槽壳的温度呈现非线性下降。同时分析了环境温度下降10℃时对瞬态温度场的影响,计算发现环境温度下降10℃对熔体温度影响较小,同一时间点内衬材料温度普遍下降2℃～10℃左右。(3)建立了电解槽稳态热应力场计算模型,研究了电解槽稳态热应力场情况。仿真计算发现电解槽阴极炭块四周的温度梯度比较大,容易产生裂纹;槽壳底部边角处的应变达到了0.14%,离屈服极限较远,处于安全范围。(4)分析了失电2小时后的应力场。计算结果显示失电2小时后,电解槽整体位移较稳态时下降一倍左右,内衬材料的热应力变化较小。

关键词： 矮塔斜拉桥   足尺模型试验   斜拉索   抗滑性能   应力  

摘要： 矮塔斜拉桥由于塔高较矮、斜拉索倾角较小,拉索滑移问题尤为突出。由于钢绞线拉索长期受到由活荷载引起的索力变幅的往复作用,在活载中,车辆荷载和温度作用引起的索力变化较为明显,可能引起索鞍区的拉索滑移,影响该类桥梁受力和安全。本文依托交通运输行业重点科技项目,依托工程为目前在建的世界最大跨径预应力混凝土部分斜拉桥,研究依托该工程开展了国内外最大的弧形索鞍区抗滑移性能足尺模型试验;试验中模拟运营期荷载,首次对挤压型抗滑锚固装置开展基于低周反复不平衡索力作用下的试验,并通过设计,在同一模型上开展了两组不同角度拉索的抗滑移性能试验。主要研究内容和成果如下:（1）采用有限元软件Midas Civil对依托工程进行建模,分析了实桥在车辆及温度荷载共同作用下引起的索力变化,得到了最不利不平衡索力,选定两根代表性钢绞线拉索作为试验索,确定了最不利索力差,作为试验加载依据。（2）设计建造了目前国内外最大的矮塔斜拉桥索塔节段足尺试验模型。（3）开展了两组拉索的不同孔位带有HDPE护套的环氧涂层钢绞线与圆形钢质分丝管索鞍间的摩擦系数试验,得到钢绞线与分丝管内壁之间的静摩擦系数。（4）将基础索力及1.0、1.4、2.5倍最不利索力差作为外荷载,利用有限元软件Midas FEA对试验索塔模型进行仿真模拟分析;同时开展相同工况下的低周偏载试验,并进行对比分析。（5）针对选定的两根代表性钢绞线拉索,在索塔节段足尺试验模型上实施低周偏载抗滑移性能试验,验证了挤压型抗滑装置的抗滑移性能及其可靠性。（6）通过对单个抗滑键的作用分析,讨论了实桥上的抗滑键双侧布置与单侧交叉布置的区别和影响。

关键词： LaMnO3   Sr3Al2O6   氧含量   相分离   交换偏置   应力  

摘要： 近几十年来,人们对钙钛矿结构锰氧化物的研究极大地推动了自旋电子学材料与器件的发展。随着社会信息化的不断进步以及材料与器件多功能化需求的日益增长,钙钛矿结构锰氧化物电磁性能可控调控的需求更加迫切。由于该体系是一个集自旋、电荷、轨道、晶格等多种自由度高度耦合的强关联体系,这造成锰氧化物电磁性能的可控调控以及相关物理机制研究变得更加复杂。实现锰氧化物物理性能的调控并理解相应的调控机制,成为推进氧化物自旋电子学多功能化应用所面临的关键科学问题。对此,本文选用锰氧化物母相材料LaMnO(LMO)作为研究对象,系统研究了不同退火状态下LMO薄膜电磁性能的变化规律,提出了基于相分离模型的氧含量对LMO薄膜磁电性能调控的机制;系统研究了不同SrAlO(SAO)缓冲层厚度下LMO薄膜的磁电性能,提出了氧迁移和应变对LMO薄膜磁电性能调控的机制。本论文围绕LMO,开展了如下工作:1.研究了退火氧压对LMO薄膜磁性及电输运性能的影响。在5×10 Pa、30 Pa和5×10Pa三种不同退火氧压下,LMO薄膜在低温下分别呈现反铁磁-绝缘、铁磁-绝缘以及铁磁-金属三种不同磁性基态,且超低氧压(5×10Pa)退火样品表现出高达-979 Oe交换偏置(5K,+4 k Oe FC),高氧压退火样品的磁电阻得到眀显增强。我们发现LMO薄膜中氧含量变化诱导的铁磁-金属相与反铁磁-绝缘相之间的竞争是调控其磁性和电输运性能的主要原因。通过对5×10Pa退火样品在30 Pa和5×10Pa氧压之间重复退火和对比La Al O(LAO)和Sr Ti O(STO)两种衬底上生长的LMO薄膜,我们发现氧含量对LMO薄膜磁电性能的调控是可逆的,且调控规律与衬底引入的压缩和拉伸两种应变状态无关。2.研究了LMO薄膜与衬底之间缓冲层SAO厚度(t)对LMO薄膜晶体结构、磁性及电输运性能的影响。t=0 nm,LMO薄膜受到面内压缩应力,表现为铁磁-绝缘性;t=2 nm,LMO薄膜处于应力驰豫状态,仍表现为铁磁-绝缘性,但居里温度(T)和导电性较t=0 nm样品降低;t≥3 nm,LMO薄膜受到面内压缩应力,表现为铁磁-金属性,且出现两种铁磁相共存。随着t增大,两种铁磁相的T和室温磁电阻性能均逐渐增大,且在t=20 nm,高温铁磁相的T高达342K,远高于已报道的LMO薄膜,室温磁电阻性能也优于LaSrMn O薄膜。我们认为Al的强氧亲和力诱导的氧离子迁移及t改变诱导的应力变化是调控LMO薄膜磁性和电输运性能的主要原因。拉伸状态下,e电子的面内轨道占据及Mn-O八面体键长和键角的变化可能是导致高温铁磁相出现的原因。

关键词： 晶圆检测   应力   电机控制   算法补偿  

摘要： 长期以来,我国在晶圆制造与检测领域处于相对落后的地位。随着如物联网、5G等高新产业的迅速的发展,对芯片的需求越来越旺盛,芯片产能不足的问题进一步放大了我国在该领域落后的状态。在晶圆应力检测设备领域,国外相关企业起步早、技术强,与我们拉开了较大的差距。此外因中美贸易影响,薄膜应力测量仪的进口也变得困难重重,导致我国许多公司无仪器可用。最后,国产晶圆薄膜应力仪的研发处于较低的水平,在应力测量的精确度和重复性上难以望进口设备的项背。目前对薄膜应力仪仪改进的方法,主要分为三类:(1)改变测量仪器的机械结构或者光路结构。主要方案包括增加激光束、改垂直测量为水平测量、增加旋转托盘等。这些方案的机械结构相对复杂,反而会增加测量结果的不稳定性,使得测量过程不可控、可靠。(2)利用薄膜的光学特性,通过应力双折射法、X射线衍射法对薄膜应力仪重新进行设计。基于该方案的仪器可以进一步提升测量精度和稳定性,但成本相对较高,开发周期长、后期维护比较困难。(3)对传统薄膜应力仪进行软硬件双重升级,对硬件更新换代,对软件优化算法,并对测量流程重新设计。这类方案成本低,见效快,性能提升显著,后期维护简单。本文结合第三类改进方案,选择更为先进的电子元器件等结构模块,优化算法发挥硬件性能,从软件层面进一步降低甚至消除因为硬件本身噪声和机械平台因震动,提出误差补偿公式,弥补平台固有误差对测量结果造成的失准,提升测定结果的稳定性、重复性、精确性。首先,在运动元件模块选用更为精密、稳定的步进电机,在数据采样模块选用分辨率更高、杂散光消除率更高的一维位敏传感器。其次,通过梯形加减速算法优化对运动元件的控制,保证其运动精准、平滑。然后为位敏传感器重新设计运放电路,提升采样精度。最后,提出误差补偿算法对测量结果进行整定。本文的主要贡献和创新点如下:(1)设计并实现了对薄膜应力仪运动元件的精稳控制。针对传统薄膜应力仪运动元件失步或震动等问题,本文重新选型高精度步进电机,通过加减速算法优化步进电机控制,有效减弱了测量过程中的对采样结果的干扰。(2)设计并实现了对薄膜应力仪中位敏传感器的高保真采样。本文根据高分辨率位敏传感器和测量需求重新进行运放电路设计,自定义放大倍数和手动调零。进一步确保传感器数据获取的精确度。(3)提出误差补偿公式。本文对晶圆镀膜前后光片的平均拟合曲率半径相对于理论值的分析,对比两者之间的误差规律提出误差补偿公式,并给出求解补偿系数的方法和实际应用中的校准流程。误差补偿公式有效提升了测量结果的准确性和重复性,补偿系数求解方法有效提高了工作效率,在需要校准时免于反复测试调整。(4)实现了所有基于基片形变法的测量曲率半径或应力的光片材料的统一。除了主要应用于对镀膜前后晶圆的曲率半径、弯曲度和应力检测,亦适用于任何可反射激光的各种刚性材料基体非镀膜表面的曲率半径测试、弯曲度检测,亦适用于任何可反射激光的各种刚性材料基体镀膜表面的曲率半径测试、弯曲度检测及其薄膜残余盈利测试,如钛合金基片、抛光不锈钢基片等。本文的研究成果已经申请了两项国家发明专利(专利号分别是202111154932.8和202110612472.2)和两篇软件著作权。本文实现的薄膜应力原型已经交由合作企业进行产品化、商品化升级。在双方共同努力下,已与数家半导体公司达成了意向订单,下一步的目标则是致力于本薄膜应力仪的全面成果转化和商业推广。