CN107202908B - 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、压电陶瓷片、探针定位块，以及用于将探针固定在探针定位块上的夹具，该探针夹持装置可通过压电陶瓷片为探针提供驱动振源，有利于通过抬高模式高分辨测量磁畴结构，并且能够与探针形成热学回路，有利于探测温度/热导信号，解决了常规磁性测量夹具没有热电测量电路，不能检测热信号，以及常规热测量夹具磁信号测量分辨率差的问题，能在微区内对磁性、温度/热导等物理参量进行原位、实时、动态表征，以满足当前微/纳尺度下热科学与磁性纳米复合热电材料的表征需求。

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

随着电子器件朝着小型化、微型化方向发展，其发热与散热问题已经成为制约其稳定性与集成度的一个重要瓶颈问题。在微/纳尺度下，材料的热学行为往往会表现出强烈的尺度效应，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)对其热力学性质的影响尤为重要。在微/纳尺度下表征材料与热相关的物性，理解其发热与散热的物理过程已经成为现代热科学中的一个崭新的分支—微/纳尺度热科学。以磁性材料为例，在外场驱动下其磁畴的翻转会产生微区发热，如果能够在微区内同步、原位、实时地对磁性、温度/热导等物理参量进行二维成像，就可以在微观层面上实时观察材料的发热与散热途径、材料结构与磁性之间的关联，对于理解磁性材料的微区发热与散热的物理机制，降低磁电微/纳器件的功耗、提高稳定性具有非常重要的意义。

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，该探针夹持装置能够为探针提供振源，有利于磁畴结构的高分辨探测，并且能够与探针形成热学回路，有利于探测温度/热导信号，从而能在微区内对磁性、温度/热导等物理参量进行原位、实时、动态表征的二维成像，以满足当前微/纳尺度下热科学与磁性纳米复合热电材料的表征需求。

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样品之间的相对位移，所述的探针具有磁性、导电性与导热性，用于探测磁、电、热信号；

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

所述的压电陶瓷片位于电路主板上，二者间电绝缘接触；探针定位块位于压电陶片上，二者间电绝缘接触；扫描器与电路主板之间电连接，扫描器与探针定位块之间电连接；激励信号源一的正负极通过电路主板的两条电引线与压电陶瓷片的上、下表面形成电回路，用于激励压电陶瓷片产生振源传递至探针；

所述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实现电连接。

作为一种实现方式，夹片与探针相接触的表面的两条电引线分别连接探针的上、下表面，形成热学回路。

作为一种实现方式，所述的激励信号源一集成在扫描器上。作为优选，所述的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压电陶瓷片上表面的电连接，另一个过孔与其焊点由信号线实现与压电陶瓷片下表面的电连接。作为优选，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。作为优选，所述的电路主板还包括一个过孔焊盘，该过孔与其焊点由信号线实现与夹片上的两条电引线的电连接。

作为优选，所述的电路主板设置第一凹槽，压电陶瓷片固定于该第一凹槽内。

作为优选，压电陶瓷片的上、下表面分别连接陶瓷绝缘层。

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、压电陶瓷片、夹片、探针定位块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,并可通过压电陶瓷片为探针提供驱动振源，有利于通过抬高模式高分辨测量磁畴结构，并且能够与探针形成热学回路，有利于探测温度/热导信号，解决了常规磁性测量夹具没有热电测量电路，不能检测热信号，以及常规热测量夹具磁信号测量分辨率差的问题，从而能在微区内对磁性、温度/热导等物理参量进行原位、实时、动态表征的二维成像，以满足当前微/纳尺度下热科学与磁性纳米复合热电材料的表征需求。

附图说明

图1为本发明实施例中探针夹持装置的立体图；

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左视图；

图5为本发明实施例中探针夹持装置的电路主板结构图；

图6是图5反面的主板印刷电路图；

图7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8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9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10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11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12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，压电陶瓷片4，陶瓷绝缘层5，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。探针具有磁性、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、压电陶瓷片4以及用于将探针固定在探针定位块3上的夹具。

电路主板1的结构如图5所示，其中第一凹槽9用于安装压电陶瓷片4，压电陶瓷片4的上、下表面分别连接陶瓷绝缘层5。第三凹槽11呈圆形，用于放置弹簧7。

夹具为弹性夹具，包括弹簧7、夹片8以及螺丝6。

如图11、12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。

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8下表面印有两条电路，分别连接磁-电探针的上、下表面，用以传导磁-电联用探针获取的热电信号，电路通过外接引线接入信号放大系统，用以输出磁电联用探针的电信号，并且可以通过信号线接入扫描型显微镜系统，实现信号的及时采集、处理。

探针定位块3的结构如图7～10所示，是一个具有第二凹槽12的近似长方体。压电陶瓷片4参考尺寸可以采用长宽高为4mm×3.5mm×1mm，其它尺寸也可；相对于压电陶瓷片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与定位块3上表面之间的夹角约为10°，用于放置、固定探针。与夹片8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8，使其前端的弯角结构与探针接触，然后释放夹片8后端，弹簧7提供弹力，使夹片8前端的弯角结构压紧探针；反之，向下按压夹片8后端使弹簧7压缩，夹片8的前端抬起，并后拉夹片8，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与探针电连接。电路主板1的具体印刷电路如图6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，从而实现电连接。正极过孔C与焊点E由信号电缆实现与压电陶瓷片4上表面的电连接，负极过孔D与焊点F由信号电缆实现与压电陶瓷片4下表面的电连接。过孔B与焊点G由信号电缆实现与夹片8上的两条信号电缆14的电连接。

工作状态时，探针放置在第二凹槽12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；激励信号源一的正、负极与压电陶瓷片的上、下表面形成电回路，用于激励压电陶瓷片产生振源传递至探针，以此驱动探针高频振动实现高分辨探测。激励信号源二的正、负极通过夹片上的两条信号电缆14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、可同时获得样品在微区的磁学信号与热学信号的探针夹持装置，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，所述的探针具有磁性、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、压电陶瓷片、探针定位块，以及用于将探针固定在探针定位块上的夹具；

所述的压电陶瓷片位于电路主板上，二者间电绝缘接触；探针定位块位于压电陶片上，二者间电绝缘接触；扫描器与电路主板之间电连接，扫描器与探针定位块之间电连接；激励信号源一的正负极通过电路主板的两条电引线与压电陶瓷片的上、下表面形成电回路，用于激励压电陶瓷片产生振源传递至探针；

所述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所述的探针夹持装置，其特征是：扫描探针显微镜的扫描器通过插针、插孔的插合方式与电路主板上的信号线缆实现电连接。

3.如权利要求1所述的探针夹持装置，其特征是：所述的激励信号源一集成在扫描器上；所述的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压电陶瓷片上表面的电连接，另一个过孔焊盘与其焊点由信号线实现与压电陶瓷片下表面的电连接。

4.如权利要求1所述的探针夹持装置，其特征是：所述的激励信号源二集成在扫描器上；所述的电路主板还包括一个过孔焊盘，该过孔与其焊点由信号线实现与夹片上的两条电引线的电连接。

5.如权利要求1所述的探针夹持装置，其特征是：夹片与探针相接触的表面的两条电引线分别连接探针的上、下表面，形成热学回路。

6.如权利要求1至5中任一权利要求所述的探针夹持装置，其特征是：所述的电路主板设置第一凹槽，压电陶瓷片固定于该第一凹槽内。

7.如权利要求1至5中任一权利要求所述的探针夹持装置，其特征是：压电陶瓷片的上、下表面分别连接陶瓷绝缘层。

8.如权利要求1至5中任一权利要求所述的探针夹持装置，其特征是：探针定位块设置第二凹槽，用于放置探针。

9.如权利要求8所述的探针夹持装置，其特征是：第二凹槽与水平面形成一定夹角。

10.如权利要求9所述的探针夹持装置，其特征是：所述夹角为10°。

11.如权利要求1至5中任一权利要求所述的探针夹持装置，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15所述的探针夹持装置，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5中任一权利要求所述的用于扫描探针显微镜的探针夹具。