CN107132379B - 一种用于扫描探针显微镜的探针夹持装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于扫描探针显微镜的探针夹持装置，包括电路主板、探针定位块，以及用于将探针固定在探针定位块上的夹具。该探针夹持装置不仅能够将探针固定在扫描器上，而且能够同时探测材料的热学信号和电学信号，实现原位同步实时的电‑热成像，实现原位同步动态地观察材料的温度与热导分布、导电畴结构及其动态演化过程。

Description

一种用于扫描探针显微镜的探针夹持装置

技术领域

本发明涉及微/纳尺度下信号检测领域，尤其是涉及一种用于扫描探针显微镜的探针夹持装置。

背景技术

微/纳器件的发热与散热问题是目前制约电子器件稳定性和集成度的一个重要瓶颈。在微/纳尺度下研究材料的热学性质，理解发热和散热的物理过程已经引起人们关注，并逐步发展成为一个新的学科——微/纳尺度热科学。

在使役条件下，材料的发热与散热过程通常与材料的微观结构以及畴结构(包括磁畴结构、铁电/压电畴结构、导电畴结构等)密切相关。以阻变材料为例，在电场的作用下，由于离子输运或电化学反应过程导致形成导电区域或导电丝，由于导电畴或导电丝的局域焦耳热效应会导致电阻态的切换。所以理解导电畴/导电丝结构与热分布之间的关联，对控制导电丝的形成过程，提高阻变存储器件的电阻参数的一致和稳定性至关重要。可见，为了降低磁电器的功耗，提高稳定性和集成度，研究微区发热与导电过程与微观机制非常重要。所以如果能够在微区内原位同步实现地表征电学性质和热学性质，研究导电畴结构与微区温度以及热导之间的关联，对于理解微/纳尺度的器件的微区发热与散热的物理机制，降低器件发热、提高器件的散热能力和集成度具有重要的意义。

到目前为止，尽管人们已经发展了基于扫描探针显微镜的微区热成像技术，但是只能够单一地获得热学信息，尚不能原位同步实时获得其他物性信息，比如铁电/压电畴结构、导电畴结构等，无法进行电-热耦合成像，因而限制了对材料中发热与散热的物理机制的深入理解。

发明内容

本发明提出一种用于扫描探针显微镜的探针夹持装置，该探针夹持装置不仅能够将探针固定在扫描器上，而且能够同时探测材料的热学信号和电学信号，实现原位同步实时的电-热成像，实现原位同步动态地观察材料的温度与热导分布、导电畴结构及其动态演化过程。

探针通过所述的探针夹持装置固定在扫描器上，扫描器带动探针产生与样品之间的相对位移，

针对以上局限性，本发明提出一种新型电-热多参量耦合扫描探针显微镜探针的夹持装置的设计，用来夹持能够同时探测热学信号和电学信号的探针，实现原位同步实时的电-热成像，进而，在原位施加电场、温度场装置，可以模拟实际使役环境，实现在多重场的激励或作用下原位同步动态地观察材料的温度与热导分布、导电畴结构及其动态演化过程，可以原位直观地研究材料的热电之间的耦合规律和机制。

本发明的技术方案如下：

一种用于扫描探针显微镜的探针夹持装置，探针通过所述的探针夹持装置固定在扫描器上，扫描器带动探针产生与待测样品之间的相对位移，所述的探针具有导电性与导热性，用于探测电、热信号；

所述的探针夹持装置包括电路主板、探针定位块，以及用于将探针固定在探针定位块上的夹具；

所述的探针定位块位于电路主板上；电路主板与扫描器之间电连通，探针定位块与扫描器之间电连通；激励信号源一激励电信号，该电信号流入探针、样品，大地，形成电回路，经采集分析得到样品的电信号；

所述的夹具包括与探针相接触的夹片；激励信号源二的正负极通过夹片上的两条电引线与探针形成热学回路，即，激励信号源二激励电信号流经探针上下表面，探针与样品接触时进行热交换，使热学回路中的电信号发生变化，经采集分析得到样品的热信号。

作为一种实现方式，扫描器通过插针、插孔的插合方式与电路主板上的信号线缆实现电连接。

作为一种实现方式，所述的激励信号源一集成在扫描器上，探针定位块与探针电连通。在这种实现方式中，作为优选，电路主板包括两个过孔焊盘，一个过孔与其焊点由信号线实现与扫描器的电连接，另一个过孔与其焊点由信号线实现与探针定位块的电连接。作为进一步优选，过孔中的插孔为两个冠簧插孔。

作为一种实现方式，所述的激励信号源二集成在扫描器上。在这种实现方式中，作为优选，电路主板包括一个过孔焊盘，其焊点由信号线实现与夹片上的两条电引线的电连接。

作为一种实现方式，所述的两条电引线设置在夹片与探针相接触的表面，分别连接探针的上、下表面，与激励信号源一形成热学回路。

作为一种实现方式，所述的探针夹持装置还包括导电支撑块，所述的导电支撑块位于电路主板上，与电路主板之间电连通，所述的探针定位块位于导电支撑块上，与导电支撑块形成电连通。

作为优选，所述的电路主板设置第一凹槽，探针定位块固定于该第一凹槽内。

作为优选，探针定位块设置第二凹槽，用于放置探针。

作为优选，第二凹槽与水平面形成一定夹角，有利于探针固定在探针定位块，防止其下滑等，该夹角进一步优选约为10°。

作为优选，所述的夹具为弹性夹具。作为一种实现方式，弹性夹具包括夹片、弹簧、以及连接件；夹片通过连接件可活动地连接在电路主板上，弹簧位于夹片一端与电路主板之间，弹簧提供弹力，使夹片另一端夹住探针，使其固定在探针定位块上。

作为优选，电路主板设置第三凹槽，第三凹槽中放置弹簧。

作为优选，所述的连接件包括夹片上的固定孔、螺丝，以及电路主板上的螺孔，螺丝穿过固定孔后与螺孔进行螺纹连接，所述夹片可相对电路主板进行前推或者后拉。向下按压夹片一端，弹簧压缩，并前推该夹片，使其另一端与探针接触，然后释放夹片一端，弹簧提供弹力，使夹片前端压紧探针；反之，向下按压夹片一端，并后拉该夹片，使其另一端离开探针，探针得到释放。

作为优选，夹片的另一端有个弯角结构，用于加强对探针的压紧。作为一种实现方式，所述的弯角结构由夹片的另一端向上弯折后再向下、向内弯折而形成。向上弯折的弯折部与夹片本体的夹角优选为为10°至30°，向下弯折的弯折部优选与夹片本体平行，向内弯折的弯折部优选与夹片本体垂直。与该弯角结构相配，探针定位块优选设置探针定位槽，当弯角结构离开探针，探针得到释放时，该弯角结构落入该探针定位槽中。

本发明利用电路主板、探针定位块、夹具等简单零件构成探针夹持装置，利用该探针夹持装置将探针固定在扫描器上,扫描器带动探针产生与样品之间的相对位移，并且利用该探针夹持装置能够同时探测材料的热学信号和电学信号，实现原位同步实时的电-热成像，可以模拟实际使役环境，实现原位同步动态地观察材料的温度与热导分布、导电畴结构及其动态演化过程，原位直观地研究材料的热电之间的耦合规律和机制。

附图说明

图1为本发明实施例中探针夹持装置的立体结构示意图；

图2为本发明实施例中探针夹持装置的俯视图；

图3为本发明实施例中探针夹持装置的主视图；

图4为本发明实施例中探针夹持装置的电路主板结构图；

图5为本发明实施例中探针夹持装置的主板印刷电路图；

图6为本发明实施例中探针夹持装置的探针定位块的立体图；

图7为本发明实施例中探针夹持装置的探针定位块的主视图；

图8为本发明实施例中探针夹持装置的探针定位块的俯视图；

图9为本发明实施例中探针夹持装置的探针定位块的左视图；

图10为本发明实施例中探针夹持装置的夹片的侧面放大视图；

图11为本发明实施例中探针夹持装置的夹片的俯视图。

其中，电路主板(1)，冠簧插孔(2)，探针定位块(3)，导电支撑块(4)，螺丝(6)，弹簧(7)，夹片(8)，第一凹槽(9)，螺孔(10)，第三凹槽(11)，第二凹槽(12)，探针定位槽(13)，信号电缆(14)，固定孔(15)，限位片(16)，外接引线(17)。

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。

本实施例中，扫描型显微镜包括扫描器、探针，以及将探针固定在扫描器上的探针夹持装置。探针具有导电性与导热性。

探针夹持装置的结构示意图如图1～4所示。探针夹具包括电路主板(1)、探针定位块(3)以及用于将探针固定在探针定位块(3)上的夹具。

夹具为弹性夹具，包括弹簧(7)、夹片(8)以及螺丝(6)。

电路主板(1)的结构如图5所示，其中第一凹槽(9)用于安装探针定位块(3)。在第一凹槽(9)中，导电支撑块位于电路主板上，探针定位块位于导电支撑块上，与导电支撑块形成电连通。第三凹槽(11)呈圆形，用于放置弹簧(7)。

如图11所示，夹片(8)中部设有固定孔(15)，夹片(8)两侧设置限位片(16)。螺丝(6)穿过固定孔(15)与电路主板(1)上的螺孔(10)相螺纹连接，使夹片(8)可活动地连接到电路主板(1)上，即夹片(8)可相对电路主板(1)进行前推或者后拉。

探针定位块3的结构如图5-8所示，是一个具有第二凹槽(12)的近似长方体，第二凹槽(12)用于放置、固定探针。

导电支撑块(4)参考尺寸可以采用长宽高为4mm×3.5mm×1mm，其它尺寸也可；相对于导电支撑块(4)的尺寸，探针定位块(3)采用长宽高为3.5mm×3mm×2mm，其它尺寸也可；第二凹槽(12)与探针定位块(3)上表面之间的夹角约为10°。

如图10、11所示，夹片(8)的前端有个弯角结构，即一端向上弯折后再向下、向内弯折，向上弯折的弯折部与夹片(8)本体的夹角约为10°，向下弯折的弯折部与夹片(8)本体的平行，向内弯折的弯折部与夹片(8)本体垂直。夹片下表面印有两条电路，分别连接探针的上、下表面。

与夹片结构相配，探针定位块3还设置探针定位槽(13)。工作状态时，向下按压夹片(8)的后端使弹簧(7)压缩，夹片(8)的前端抬起，并前推夹片，使其前端的弯角结构与探针接触，然后释放夹片后端，弹簧提供弹力，使夹片前端压的弯角结构紧探针；反之，向下按压夹片后端使弹簧(7)压缩，夹片(8)的前端抬起，并后拉夹片，使其前端的弯角结构落入探针定位槽(13)中，即，该弯角结构离开探针，探针得到释放。

扫描器集成激励信号源一与激励信号源二的功能，探针定位块3与探针电连通。电路主板(1)的具体印刷电路如图4所示，四个冠簧插孔(2)焊接于电路主板(1)的A、B、C、D过孔焊盘上，用于实现与扫描器导电插针的机械插拔，通过信号线缆实现与电路主板的电连接。过孔A与焊点E由信号电缆实现电连接。焊点E通过引线实现与导电金属块之间的电连接。过孔C与焊点G由信号电缆实现电连接。焊点G通过引线实现与夹片上的两条电引线的电连接。

工作状态时，探针放置在第二凹槽中，测量电信号时探针与样品接触，样品放置在样品台上从而接地；激励信号源一激励电信号，该电信号流入探针、样品，大地，形成电回路，从而实现了样品电信号的测量。激励信号源二的正负极通过夹片上的两条电引线与探针形成热学回路，即，激励信号源二激励电信号流经探针上下表面，探针与样品接触时进行热交换，使热学回路中的电信号发生变化，经采集分析得到样品的热信号。

本扫描型显微镜用探针夹持装置的使用方法：通过冠簧插孔(2)与扫描器上对应插针的机械插拔实现探针夹持装置与扫描器的连接固定与分离；装卸探针时，先把探针夹持装置与扫描器分离，并通过下压、向后拉夹片(8)与探针脱离，以便更换探针。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述诸多实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更改与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (19)

1.一种用于扫描探针显微镜的探针夹持装置，探针通过所述的探针夹持装置固定在扫描器上，扫描器带动探针产生与样品之间的相对位移，所述的探针具有导电性与导热性；其特征是：所述的探针夹持装置包括电路主板、探针定位块，导电支撑块，以及用于将探针固定在探针定位块上的夹具；

所述的电路主板设置第一凹槽；在第一凹槽中，导电支撑块位于电路主板上，与电路主板之间电连通，探针定位块位于导电支撑块上，与导电支撑块形成电连通；

探针定位块设置第二凹槽，用于放置探针；

电路主板与扫描器之间电连通，探针定位块与扫描器之间电连通；激励信号源一激励电信号，该电信号流入探针、样品，大地，形成电回路，经采集分析得到样品的电信号；

所述的夹具包括与探针相接触的夹片；激励信号源二的正负极通过夹片上的两条电引线与探针形成热学回路，探针与样品接触时进行热交换，使热学回路中的电信号发生变化，经采集分析得到样品的热信号。

2.如权利要求1所述的用于扫描探针显微镜的探针夹持装置，其特征是：扫描器通过插合方式与电路主板上的信号线缆实现电连接。

3.如权利要求1所述的用于扫描探针显微镜的探针夹持装置，其特征是：所述的激励信号源一集成在扫描器上，探针定位块与探针电连通。

4.如权利要求1所述的用于扫描探针显微镜的探针夹持装置，其特征是：电路主板包括两个过孔焊盘，一个过孔与其焊点由信号线实现与扫描器的电连接，另一个过孔与其焊点由信号线实现与探针定位块的电连接。

5.如权利要求4所述的用于扫描探针显微镜的探针夹持装置，其特征是：过孔中的插孔为两个冠簧插孔。

6.如权利要求1所述的用于扫描探针显微镜的探针夹持装置，其特征是：所述的激励信号源二集成在扫描器上。

7.如权利要求1所述的用于扫描探针显微镜的探针夹持装置，其特征是：电路主板包括一个过孔焊盘，其焊点由信号线实现与夹片上的两条电引线的电连接。

8.如权利要求1所述的用于扫描探针显微镜的探针夹持装置，其特征是：所述的两条电引线设置在夹片与探针相接触的表面，分别连接探针的上、下表面，与激励信号源一形成热学回路。

9.如权利要求1至8中任一权利要求所述的用于扫描探针显微镜的探针夹持装置，其特征是：所述的第二凹槽与水平面形成一定夹角。

10.如权利要求9所述的用于扫描探针显微镜的探针夹持装置，其特征是：所述夹角为10°。

11.如权利要求1至8中任一权利要求所述的用于扫描探针显微镜的探针夹持装置，其特征是：所述的夹具为弹性夹具。

12.如权利要求11所述的用于扫描探针显微镜的探针夹持装置，其特征是：弹性夹具包括夹片、弹簧、以及连接件；夹片通过连接件可活动地连接在电路主板上，弹簧位于夹片一端与电路主板之间，弹簧提供弹力，使夹片另一端夹住探针使其固定在探针定位块上。

13.如权利要求12所述的用于扫描探针显微镜的探针夹持装置，其特征是：电路主板设置第三凹槽，第三凹槽中放置弹簧。

14.如权利要求12所述的用于扫描探针显微镜的探针夹持装置，其特征是：所述的连接件包括夹片上的固定孔、螺丝，以及电路主板上的螺孔，螺丝穿过固定孔后与螺孔进行螺纹连接，所述夹片可相对电路主板进行前推或者后拉。

15.如权利要求12所述的用于扫描探针显微镜的探针夹持装置，其特征是：夹片的另一端有个弯角结构。

16.如权利要求15所述的用于扫描探针显微镜的探针夹持装置，其特征是：所述的弯角结构由夹片的另一端向上弯折后再向下、向内弯折而形成。

17.如权利要求16所述的用于扫描探针显微镜的探针夹持装置，其特征是：向上弯折的弯折部与夹片本体的夹角为10°至30°，向下弯折的弯折部与夹片本体平行，向内弯折的弯折部与夹片本体垂直。

18.如权利要求16所述的用于扫描探针显微镜的探针夹持装置，其特征是：与该弯角结构相配，探针定位块设置探针定位槽，当弯角结构离开探针，探针得到释放时，该弯角结构落入该探针定位槽中。

19.一种扫描探针显微镜，包括扫描器、探针，以及如权利要求1至8中任一权利要求所述的用于扫描探针显微镜的探针夹具。