一种微纳米热检测传感组件制造技术

本发明专利技术揭示了一种微纳米热检测传感组件，包括：加热并探测被测样品温度的热探针；在热探针检测时探测环境温度的参考探针；以磁力吸住热探针的底板，对热探针定位的磁性底座；隔离体，设置于磁性底座下方；定位器，采用压板结构，将热探针的引线压住，对热探针起辅助定位作用；输出连接体电路板，包括印刷线路板和连接器，印刷电路板与参考探针和热探针的输出端相连，连接器用于与外部检测桥路相连；测试支架，用于固定输出连接体电路板、磁性底座、隔离体和定位器。本发明专利技术具有检测灵敏度高、抗外部环境干扰强等特点，并可与商用原子力显微镜（ＡＦＭ）完全兼容，原位获得被测样品的形貌像与热学像。其热成像分辨率达６０纳米，优于同类国外产品。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种微纳米热检测传感组件，该传感组件是扫描探针热学显微成像系 统中的核心部件，属于仪器研制领域。
技术介绍
随着当前纳米技术的深入发展，迫切需要发展能够原位、无损、高分辨率表征材料 和器件微纳米尺度性能的检测技术，特别是热物性的表征技术。在微纳米尺度上，由于量子 效应、物质局限性及界面效应等因素，热物理性将产生明显的尺寸效应，从而直接影响材料 和器件的性能稳定性、可靠性及使用寿命。因此如何准确检测微纳米尺度热物性已日益为 人们所关注。原子力显微镜是当前开展材料和器件纳米结构成像的重要工具，在此基础上 发展新部件，拓展新功能，将极大地推动纳米表征技术的发展。目前，仅有个别公司在AFM 平台上生产提供具有微纳米热检测成像功能的商用产品。但该商用产品由于选用的测试方 法及相关装置的配套等技术问题，其热检测成像的分辨率仅为100纳米，该分辨率与当前 纳米科研的实际要求尚有距离。同时，该产品相关的热检测附件是专用的，与其他商用AFM 仪器在结构上不兼容，使得其他AFM仪器用户难以直接应用上述的热检测附件构成微纳米 热检测成像系统。为此，本专利技术研制了热成像分辨率高、结构具有一定通用性、并适宜安装 在不同AFM仪器上的微纳米热传感组件，目前国内外无这方面的报导。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种能够用于微纳米热检测成像用的高灵敏度、性能稳定、 受环境波动影响小、结构通用的传感组件。该传感组件将原子力显微镜纳米检测功能与具 有热检测灵敏度高、测试数据准确、尤适于对微纳米量级绝缘薄膜材料与器件进行纵向热 导测量的3倍频检测模式结合起来，使系统的热成像分辨率优于60纳米。该传感组件采用 双探针结构的差动输入方式，克服环境波动的影响，保证了测试数据的准确。同时在结构上 将构成传感组件的部件集成在AFM探针支架上，解决了结构兼容的技术问题。为了实现上述目的，本专利技术提供了一种微纳米热检测传感组件，用于原子力显微 镜热成像系统，包括热探针，用于加热并探测被测样品的温度；参考探针，设置在所述热 探针一侧，用于在所述热探针检测时探测环境温度；磁性底座，设置在所述热探针底板下， 以磁力吸住所述热探针的底板，对所述热探针定位；隔离体，设置于所述磁性底座下方；定 位器，采用压板结构，将所述热探针的引线压住，对所述热探针起辅助定位作用；输出连接 体电路板，包括印刷线路板和连接器，所述印刷电路板与所述参考探针和所述热探针的输 出端相连，所述连接器用于与外部检测桥路相连；测试支架，用于固定所述输出连接体电路 板、磁性底座、隔离体和定位器。比较好的是，所述热探针为热阻型，呈V型结构。比较好的是，所述热探针在周期性信号激励下产生谐波效应，选取其3倍频的高 次谐波信号反映所述被测样品的热导率。比较好的是，所述热探针的工作频率为lOOHz-lkHz，工作电流为lO-lOOmA。比较好的是，所述磁性底座由磁性材料构成，呈L型结构，其上端面与底面成一倾比较好的是，所述隔离体由绝缘材料构成。比较好的是，所述参考探针与热探针组成双探针结构，采用差动输入方式。本专利技术提供的微纳米热传感组件，不仅利用了传感元件的热电效应，还利用了相 关的电器特性，提升了检测信号的有效分量，增强了探测灵敏度，使热成像系统的分辨率优 于60纳米。同时，采用双探针配置，减小了环境波动对测试的影响。此外，热传感组件的结 构易与AFM仪器组合成热成像系统。上述的这项专利技术为微纳米热成像系统的实用化与普及 化提供了重要的技术保证，将对纳米科技研究起到一定的推动作用。附图说明下面，参照附图，对于熟悉本
的人员而言，从对本专利技术的详细描述中，本 专利技术的上述和其他目的、特征和优点将显而易见。图1为微纳米热检测传感组件结构示意图； 2(a)为低温共烧陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramics, LTCC)的形貌 像；图2(b)为扫描探针热学像；图2(c)为低温共烧陶瓷另一区域的扫描探针热学像；图2(d)为图(C)中标注区域的线扫描信号，反映扫描探针热学显微系统的成像分辨率；图3 (a)为铁磁记忆合金Ni53Mn24GEI23的形貌像；图3(b)为扫描探针热学像。具体实施例方式图1给出了本专利技术的微纳米热检测传感组件的结构示意图。包括热探针2，磁性 底座3，隔离体4，定位器5，参考探针6，输出连接体电路板7，测试支架8。被测样品示意为 1。具体来说，热探针2选用热阻型探针，由Pt/I h材料制成。热探针2既是加热器件， 又是传感器件。在工作过程中，当热探针2通电后，产生一定的温升，此时热探针2接触到 被测样品1，探针2的针尖与被测样品1存在温差产生热交换，引起热探针温度变化，导致热 探针2的电阻阻值变化。该阻值变化直接与样品1微区热物性差异密切相关，因此检测这 种变化就可以获得样品1的热物性信息。由于热探针2的特殊工艺结构，其热电耦合效应在电学上可等效为线性元件(电 阻)与非线性元件(电容)连接的网络。该网络在周期性信号激励下，会产生谐波效应， 包括与激励信号同频的信号和高次谐波信号。根据热学理论分析，其中3倍频的高次谐波 信号直接反映被测样品的热导率这一重要热物性参数。为充分利用热探针的电学非线性 特性，采用网络分析仪器测试热探针的非线性参数，以便获得一定工作条件下的补偿参数， 从而得到最佳的检测信噪比。同时，本专利技术对热探针2采用交流加热方式(工作频率为 lOOHz-lkHz，工作电流为IO-IOOmA)，实施3倍频的微纳米热检测技术，提高了热检测的灵敏度与准确性。磁性底座3由磁性材料构成，放置于探针2的底板下，其功能是用磁力吸住底板， 以使热探针2定位。该部件呈L型结构，上端面与底面成一倾角，使热探针2的针尖与样品 保持良好的接触。该部件与热探针2合为一体，既方便热探针2的安装，又起到保护的作用。隔离体4由绝缘材料构成，放置于磁性底座下，起隔离作用。同时该部件可依据探 针支架的结构调整其尺寸大小。参考探针6与热探针2为同一类型的器件，放置在与热探针2相邻近的空间处。设 置这一部件是本技术方案的特点之一。在检测过程中，热探针2不仅与被测样品1进行热交 换，而且同时与环境进行热交换，环境温度发生波动可直接影响到测试结果准确性。为避免 这种情况，设置了双探针并采用差动输入方法，抵消了环境温度的波动所造成的不利影响。定位器5也采用压板结构，将热探针2的引线压住。通过锁紧引线，对热探针2起 到辅助定位作用。输出连接体电路板7由定制印刷线路板、电缆连接器等器件组成。在印刷线路板 上安置参考探针6，并设置专用端口解决本申请中各部件的电器连接及对外接口的问题。该 部件安装于探针支架8上。在机械部份，本专利技术的微纳米热检测传感组件包括三个部分a.热探针2的安装 定位部分，有4个部件包括热探针2、磁性底座3、隔离体4、支架8。热探针2放置在磁性底 座3上，靠磁力吸住，磁性底座3下放置隔离体4，这3个部件放置在支架8上。支架8设计 适合于所使用的系统的测试平台结构。b.辅助定位。由于磁力不宜精确定位，因而采用定 位器5的压板固定热探针2引线的方法解决这个问题。c.将参考探针6及输入和输出的接 插件都安装在输出连接体电路板7的一个印板上，规范部件间的引线，减小由于相互本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微纳米热检测传感组件，用于原子力显微镜热成像系统，包括：热探针，用于加热并探测被测样品的温度；参考探针，设置在所述热探针一侧，用于在所述热探针检测时探测环境温度；磁性底座，设置在所述热探针底板下，以磁力吸住所述热探针的底板，对所述热探针定位；隔离体，设置于所述磁性底座下方；定位器，采用压板结构，将所述热探针的引线压住，对所述热探针起辅助定位作用；输出连接体电路板，包括印刷线路板和连接器，所述印刷电路板与所述参考探针和所述热探针的输出端相连，所述连接器用于与外部检测桥路相连。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：曾华荣，殷庆瑞，惠森兴，赵坤宇，李国荣，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]