CN102053171B

CN102053171B - 一种微纳米热检测传感组件

Info

Publication number: CN102053171B
Application number: CN2009101984524A
Authority: CN
Inventors: 曾华荣; 殷庆瑞; 惠森兴; 赵坤宇; 李国荣
Original assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Priority date: 2009-11-09
Filing date: 2009-11-09
Publication date: 2012-06-06
Anticipated expiration: 2029-11-09
Also published as: CN102053171A

Abstract

本发明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。

Description

一种微纳米热检测传感组件

技术领域

本发明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。

背景技术

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，本发明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。

发明内容

本发明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，本发明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100Hz-1kHz，工作电流为10-100mA。

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角。

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。

本发明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。上述的这项发明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，对于熟悉本技术领域的人员而言，从对本发明的详细描述中，本发明的上述和其他目的、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；

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Ni₅₃Mn₂₄Ga₂₃的形貌像；

图3(b)为扫描探针热学像。

具体实施方式

图1给出了本发明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/Rh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，本发明对热探针2采用交流加热方式(工作频率为100Hz-1kHz，工作电流为10-100mA)，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，本发明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，减小由于相互不当连接而引入的噪声。印板的设计依据适用于所使用的测试平台结构。

通过以下实施例，在SEIKO SPA400型号的AFM仪器上应用本发明所研制的系统对低温共烧陶瓷材料与Ni₅₃Mn₂₄Ga₂₃铁磁记忆合金材料进行检测与成像，以进一步说明本发明的效果，但并非仅限于下述实施例。

实施例1：应用本发明对低温共烧陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramics，LTCC)进行了热检测成像。LTCC是一种用于实现高集成度、高性能的电子封装新材料，制成的器件广泛用于高频无线通讯领域、航空航天工业领域及计算机等领域。由于器件的微型化与高度集成化，其微结构的热物性与器件的工作可靠性与使用寿命密切相关，至今未见对这类材料微观热物性检测的报道。图2显示了测试结果。其中(a)图是样品的形貌AFM像，是原子力显微镜原本具有的功能。(b)图是组建的热成像系统在样品原位进行的反映微观热物性的SThM热学像。对于低温共烧陶瓷，其金属层的微结构及其分布的均匀性直接关系到其性能。样品的金属层由银和钯组成，而陶瓷层则由PBNN构成。与形貌像相比，热学像上清楚地显示了衬度较亮的层状结构，该层状结构对应热导率较高的金属电极。

图2(c)与(d)反映了热学成像系统的成像分辨率。图2(c)为低温共烧陶瓷的扫描热学图像，(d)为图(c)中标注区域的线扫描图像。根据AFM成像分辨率确定的通用方法，若将相邻特征信息的最高与最低信息的横向间距定义为分辨率，那么线扫描图像显示所建立的扫描热成像模式的分辨率达到56nm(图(d)中红色区域)，显示了在AFM仪器上应用本发明所建立的热学成像系统具有较高的分辨率，优于60nm。

实施例2：应用本发明对铁磁记忆合金Ni₅₃Mn₂₄Ga₂₃材料进行了热检测成像。图3显示了铁磁合金80μm×80μm扫描范围的形貌像和热学像的测试结果。其中图3(a)为形貌像，显示了表面的划痕和缺陷，并无其他的信息。而图3(b)的热学像显示亮、暗衬度相间分布的弯曲状微结构(如箭头所示区域)，该种结构热图像上可以大致确定这些条纹的宽度为3～4μm。根据扫描热成像的衬度机制，若排除形貌像的影响，热图像主要反映样品微区的热导率分布。图2反映了铁磁合金微区热导率不均匀性，该现象至今未见报道。

从以上实施的实例表明，以本发明为核心技术构成的微纳米热成像系统具有优于60纳米的高分辨率的成像特性，可实现对多种材料与功能器件微纳米尺度热物性的高分辨原位表征与评价，可获得现有其他技术手段所不能获得的信息，为材料与器件的微纳米尺度热物性研究提供了一种新技术装置。

前面提供了对较佳实施例的描述，以使本领域内的任何技术人员可使用或利用本发明。对这些实施例的各种修改对本领域内的技术人员是显而易见的，可把这里所述的总的原理应用到其他实施例而不使用创造性。因而，本发明将不限于这里所示的实施例，而应依据符合这里所揭示的原理和新特征的最宽范围。

Claims

1.一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，所述印刷线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。

2.根据权利要求1所述的微纳米热检测传感组件，其特征在于，所述微纳米热检测传感组件进一步包括：

一测试支架，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。

3.根据权利要求2所述的微纳米热检测传感组件，其特征在于，所述热探针为热阻型，呈V型结构。

4.根据权利要求3所述的微纳米热检测传感组件，其特征在于，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微纳米尺度热导率。

5.根据权利要求4所述的微纳米热检测传感组件，其特征在于，所述热探针的工作频率为100Hz-1kHz，工作电流为10-100mA。

6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的微纳米热检测传感组件，其特征在于，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角。

7.根据权利要求6所述的微纳米热检测传感组件，其特征在于，所述隔离体由绝缘材料构成。

8.根据权利要求7所述的微纳米热检测传感组件，其特征在于，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。