CN114624474A - 一种连续流减震型超低温探针台 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种连续流减震型超低温探针台，主要包括减震支撑平台（100）、多个减震脚杯（101）、腔体（200）、多个探针臂（301,302,303,304,305,306）、探针组件（310）、样品台（210）、减震系统（212,214）、制冷机构（400）、冷剂流入/流出管道（401,402）、显微镜（500）及显微镜底座（504）；所述减震支撑平台（100）用于支撑探针台整体；所述减震脚杯（101）支撑减震支撑平台；所述腔体（200）限定出腔室；所述样品台（210）和制冷机构（400）位于腔室内；所述减震系统（212,214）位于样品台（210）周围；所述显微镜（500）安装在显微镜底座（504）上；腔体的密封顶板（204）和密封底板（205）均带有石英窗口，可与光学系统（显微镜、照相机、光源和监视器）联用，进行光学透射实验。

Description

一种连续流减震型超低温探针台
技术领域
本发明涉及探针台技术领域，尤其是涉及一种连续流减震型超低温探针台。
技术背景
探针台主要用于半导体行业、光电行业、集成电路以及芯片上的高精密电学测量。随着行业的发展，被测器件的种类越来越多，要求也越来越复杂，探针台的功能和要求逐步提高。目前，世界各地的政府实验室、工业和大学的研究需要真空和低温探测系统的探针台，国内市场上的低温设备均为进口的设备，价格昂贵，而且设备的减震需要配有减震台，进一步的增加了设备的成本；设备的减震和低温效果需要改善。
鉴于以上技术问题，以下提出本发明及其实施例。
发明内容
针对以上问题，本发明的一种连续流减震型超低温探针台，为晶片、器件和材料（薄膜、纳米线、纳米管等）提供便利的真空和低温测试条件，先进的减震技术保证了样品位置的稳定性；利用液氦或液氮，在不给样品带来振动的情况下提供快速冷却；样品周围是冷屏，最大限度地减小热辐射对样品温度的影响，从而使样品的温度尽可能低。
本发明的一种连续流减震型超低温探针台，主要包括减震支撑平台、减震脚杯、腔体、多个探针臂、探针组件、样品台、减震系统、制冷机构、冷剂流入/流出管道、显微镜及显微镜底座；所述减震支撑平台用于支撑探针台整体；所述减震脚杯支撑减震支撑平台；所述腔体、多个探针臂以及显微镜底座均固定于减震支撑平台上；所述腔体限定出腔室；所述多个探针臂分布在腔体的周围，且每个探针臂可以独立操作；所述探针组件分布在样品台的周围；所述样品台和制冷机构位于腔室内；所述减震系统位于样品台周围；所述制冷机构与冷剂流入/流出管道相连；所述显微镜安装在显微镜底座上；所述腔体壁上有温控器接口；腔体的密封顶板和密封底板均带有石英窗口，可与光学系统（显微镜、照相机、光源和监视器）联用，进行光学透射实验。
进一步地，其中，所述腔体由三层结构组成，最外层为外壁，中间层为多层高绝热聚酰亚胺薄膜，内层为冷屏；其中，薄膜层可以降低漏热；冷屏在低温和外壁的室温之间提供中间温度，减小对外冷量传导。
进一步地，其中，所述探针臂采用柔性波纹管和三通连接，探针臂一端固定在腔体上，另一端与探针调节支架相连，三通的第三端与三同轴电贯接头连接，可以外接电学测试设备，对器件进行电学测试。
进一步地，其中，所述探针组件均包括探针、探针头、探针手拧套、高绝热探针杆以及探针调节支架；探针安装在探针头上，用探针手拧套固定；高绝热探针杆连接探针头和探针调节支架，其外部包裹了多层高绝热聚酰亚胺薄膜；探针调节支架为三维装置，可以对探针进行X轴,Y轴和Z轴方向位置进行调节。
进一步地，其中，所述样品台采用蓝宝石绝热片，中心带有通光孔。
进一步地，其中，所述减震系统采用柔性铜辫导冷减震以及对称式结构将震动降低到最低，同时确保强度前提下，减少热传导，柔性铜辫把震动减弱，同时把制冷量传递给样品台。
进一步地，其中，所述制冷机构采用绕管换热器交换液体蒸发冷量，冷剂流经路线均镀金及包裹多层聚酰亚胺隔热材料用以降低漏热。
进一步地，其中，所述冷剂流入/流出管道与外部的制冷系统连接，流出管道上安装有真空计，可以接真空泵，对腔室内的真空度进行实时控制。
进一步地，其中，所述腔体壁上的温控器接口外接温度控制器，对样品台的温度进行监控和控制。
进一步地，其中，所述显微镜固定在显微镜底座上，探针台可与光学系统（显微镜、照相机、光源和监视器）联用，用于观察样品状态及变化。
附图说明
参照附图下面说明本发明公开内容的具体内容，这将有助于更加容易地理解本发明公开内容的以上和其他目的、特点和优点。附图只是为了示出本发明公开内容的原理。在附图中不必依照比例绘制出单元的尺寸和相对位置。在附图中：图1是根据本发明实施例的一种连续流减震型超低温探针台的系统整体结构图；
图2是根据本发明实施例的一种连续流减震型超低温探针台的剖面结构图；
图3是根据本发明实施例的一种连续流减震型超低温探针台的探针结构图；
图4是根据本发明实施例的一种连续流减震型超低温探针台的探针杆结构图；
图5是根据本发明实施例的一种连续流减震型超低温探针台的腔体内部结构图；
图6是根据本发明实施例的一种连续流减震型超低温探针台的制冷机构结构图；
图7是根据本发明实施例的一种连续流减震型超低温探针台的制冷机构内部管道结构图；
图8是根据本发明实施例的一种闭循环探针台的样品台柔性减震铜辫（a）和冷屏柔性减震铜辫（b）结构图；
图9是根据本发明实施例的一种闭循环探针台的探针杆一级导冷铜辫（a）和探针杆二级导冷铜辫（b）结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有开展创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-图9所示，一种连续流减震型超低温探针台，主要包括减震支撑平台（100）、多个减震脚杯（101）、腔体（200）、多个探针臂（301,302,303,304,305,306）、探针组件（310）、样品台（210）、减震系统（212,214）、制冷机构（400）、冷剂流入/流出管道（401,402）、显微镜（500）及显微镜底座（504）；所述减震支撑平台（100）用于支撑探针台整体；所述减震脚杯（101）支撑减震支撑平台；所述腔体（200）、探针臂（301,302,303,304,305,306）以及显微镜底座（510）均固定于减震支撑平台（100）上；所述腔体（200）限定出腔室；所述多个探针臂（301,302,303,304,305,306）分布在腔体（200）的周围，且每个探针臂可以独立操作；所述探针组件分布在腔体的周围；所述样品台（210）和制冷机构（400）位于腔室内；所述减震系统（212,214）位于样品台（210）周围；所述制冷机构（400）与冷剂流入/流出管道（401,402）相连；所述直筒显微镜（500）安装在显微镜底座（504）上；所述腔体上有温控器接口（600）；腔体的密封顶板（204）和密封底板（204,205）均带有石英窗口，可与光学系统（显微镜、照相机、光源和监视器）联用，进行光学透射实验。
优选的，其中，腔体（200）由三层结构组成，最外层为外壁（201），中间层为多层高绝热聚酰亚胺薄膜（202），内层为冷屏；其中，薄膜层可以降低漏热；冷屏在低温和外壁的室温之间提供中间温度，减小对外冷量传导；冷屏由顶冷屏（203）和底冷屏（204）组成；顶冷屏密封板（206）带有蓝宝石冷窗；底冷屏的顶板（207）上分布有多个冷屏柔性减震铜瓣（212）、加热器和温度监视器（未示出），多个冷屏柔性减震铜瓣（212）用于减震和传递冷量，加热器和温度监视器用于给冷屏加热和对冷屏的温度进行实时监控。
优选的，其中，探针臂（301）采用柔性波纹管（3151）和三通（314）连接，探针臂（301）一端固定在腔体（200）上，另一端与探针调节支架（319）相连，三通（314）的第三端（310）与三同轴电贯接头连接，可以外接电学测试设备，对器件进行电学测试；探针组件包括探针（318）、探针头（322）、探针手拧套（317）、探针杆（320）以及探针调节支架（319）；探针（318）安装在探针头（322）上，用探针手拧套（317）固定；探针杆由探针长杆（320）和绝热柱（316）通过导冷座（321）连接而成，绝热柱（316）的外部包裹了多层高绝热聚酰亚胺薄膜；探针调节支架（319）为三维装置，由探针臂X向平移台（312），Y向平移台（311）以及Z向平移台（313）组成，对探针的X轴,Y轴和Z轴方向位置进行调节；当腔室处于真空状态时，柔性不锈钢波纹管（315）在探针臂（301）周围提供结构支撑；柔性不锈钢波纹管（315）允许在保持系统真空的同时操纵探针（318）。
优选的，其中，样品台（210）采用蓝宝石绝热片，中心带有通光孔，允许光源通过；样品台（210）的底部有加热器和温度传感器（未示出），对样品台（210）进行加热和实时温度监控；样品台（210）周围有减震系统，冷屏柔性减震铜瓣（212）安装在底冷屏的顶板（207）上；样品台柔性减震铜瓣（214）均匀分布在样品台（210）中心，一端固定在一级热交换器的顶板（403）上，另一端固定在样品台（210）的底部；探针杆一级导冷铜瓣（211）固定在样品台（210）上，探针杆二级导冷铜辫（213）固定在冷屏的外部，且穿越薄膜层；一级热交换器的顶板（403）上有温度计，用于防止过热；底冷屏的顶板（207）上有加热器和温度计（未示出），加热器对冷屏进行加热，温度计用于监视冷屏的温度；减震系统采用柔性铜辫导冷减震以及对称式结构将震动降低到最低，同时确保强度前提下，减少热传导，柔性铜辫把震动减弱，同时把制冷量传递给样品台（210）。
优选的，其中，制冷机构（400）由两组平行放置的绕管换热器组成，上部为一级热交换器（403），下部为二级热交换器（404），两者通过管道连接；制冷机构（400）冷却样品，样品（未显示）固定在样品台（210）上，冷剂通过管道（401）的入口进入腔体内制冷机构（400）的一级热交换器（403），流经一级热交换器内的管道，从一级交换器和二级交换器的连接管道进入二级热交换器（404），流经二级热交换器内部的管道，从管道（402）的出口流出；流出管道（402）上安装有真空计（407），接口（408）可以接真空泵，对腔室内的真空度进行实时控制；一级热交换器通过导冷铜瓣（214）将温度传递给样品台（210），样品台（210）把温度传递给一级样品杆导冷铜瓣（211）；二级热交换器（404）把温度传递给冷屏，冷屏将温度传递给探针杆二级导冷铜瓣（213）；可以使样品杆与探针的温度跟样品台（210）保持一致；底冷屏的顶板（207）上安装有加热器和温度传感器，冷屏的温度通过温度传感器和加热器进行调节；温度传感器用螺丝固定在底冷屏盖板（207）上；加热器由两个并联的筒式加热器组成，并用环氧树脂固定；温度传感器输出和加热器输入通过温度控制器馈线连接到温度控制器。
优选的，其中，温度控制器接口（600）外接温度控制器（未示出），温度控制器为探针台在任何温度下的测量提供稳定的温度，控制器感测系统温度并根据需要向探针台加热器发送直流加热器功率，平衡加热功率与冷屏处可用的冷却功率，以在用户输入的任何设定值处提供稳定的温度。控制器还将其时间响应与探针台的时间响应相平衡，以便在没有振荡或不必要延迟的情况下实现稳定的温度。
优选的，其中，显微镜（500）固定在显微镜底座（504）上，通过显微镜X向平移台（503）、Y向平移台（502）和Z向调整把手（501）对显微镜（500）可以进行三维调节；腔体的透光密封顶板（204）、顶部冷屏（206）、底冷屏（209）、腔体的透光密封底板（205）均有石英窗，这些窗口与样品台的通光孔同轴放置；使探针台可与光学系统（显微镜、照相机、光源和监视器）联用，用于观察样品状态及变化。
应该理解，在不偏离本公开内容的精神的情况下，针对描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式与其他的特征相组合，或替代其他的特征。
以上结合附图对本公开内容进行了描述，但本领域技术人员应该清楚，这些描述都是示例性的，并不是对本公开内容的保护范围的限制。本领域技术人员可以根据本公开内容的精神和原理对本公开内容做出各种变型和修改，这些变型和修改也在本公开内容的范围内。

Claims (10)

1.一种连续流减震型超低温探针台，主要包括减震支撑平台、减震脚杯、腔体、多个探针臂、探针组件、样品台、减震系统、制冷机构、冷剂流入/流出管道、显微镜及显微镜底座；所述减震支撑平台用于支撑探针台整体；所述减震脚杯支撑减震支撑平台；所述腔体、多个探针臂以及显微镜底座均固定于减震支撑平台上；所述腔体限定出腔室；所述多个探针臂分布在腔体的周围，且每个探针臂可以独立操作；所述探针组件分布在样品台的周围；所述样品台和制冷机构位于腔室内；所述减震系统位于样品台周围；所述制冷机构与冷剂流入/流出管道相连；所述显微镜安装在显微镜底座上；所述腔体壁上有温控器接口；腔体的密封顶板和密封底板均带有石英窗口，可与光学系统（显微镜、照相机、光源和监视器）联用，进行光学透射实验。
2.根据权利要求1所述一种连续流减震型超低温探针台，特征在于，所述腔体由三层结构组成，最外层为外壁，中间层为多层高绝热聚酰亚胺薄膜，内层为冷屏；其中，薄膜层可以降低漏热；冷屏在低温和外壁的室温之间提供中间温度，减小对外冷量传导。
3.根据权利要求1所述一种连续流减震型超低温探针台，特征在于，所述探针臂采用柔性波纹管和三通连接，探针臂一端固定在腔体上，另一端与探针调节支架相连，三通的第三端与三同轴电贯接头连接，可以外接电学测试设备，对器件进行电学测试。
4.根据权利要求1所述一种连续流减震型超低温探针台，特征在于，所述探针组件均包括探针、探针头、探针手拧套、高绝热探针杆以及探针调节支架；探针安装在探针头上，用探针手拧套固定；高绝热探针杆连接探针头和探针调节支架，其外部包裹了多层高绝热聚酰亚胺薄膜；探针调节支架为三维装置，可以对探针进行X轴,Y轴和Z轴方向位置进行调节。
5.根据权利要求1所述一种连续流减震型超低温探针台，特征在于，所述样品台采用蓝宝石绝热片，中心带有通光孔。
6.根据权利要求1所述一种连续流减震型超低温探针台，特征在于，所述减震系统采用柔性铜辫导冷减震以及对称式结构将震动降低到最低，同时确保强度前提下，减少热传导，柔性铜辫把震动减弱，同时把制冷量传递给样品台。
7.根据权利要求1所述一种连续流减震型超低温探针台，特征在于，所述制冷机构采用绕管换热器交换液体蒸发冷量，冷剂流经路线均镀金及包裹多层聚酰亚胺隔热材料用以降低漏热。
8.根据权利要求1所述一种连续流减震型超低温探针台，特征在于，所述冷剂流入/流出管道与外部的制冷系统连接，流出管道上可以安装真空泵和真空计，对腔室内的真空度进行实时控制。
9.根据权利要求1所述一种连续流减震型超低温探针台，特征在于，所述腔体壁上的温控器接口外接温度控制器，对样品台的温度进行监控和控制。
10.根据权利要求1所述一种连续流减震型超低温探针台，特征在于，其中，所述显微镜固定在显微镜底座上，探针台可与光学系统（显微镜、照相机、光源和监视器）联用，用于观察样品状态及变化。
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