CN208833600U - 一种薄膜测试装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及材料科学领域，一种薄膜测试装置，包括光纤传感器、反射镜、探头、透镜探针、电晕探针、高压恒流源、金属罩、栅网、位移台、直流电源、电压源、样品台、接地环电极、主电极、显微镜物镜、计算机、电流计和电流控制器，采用悬臂偏向的方法并结合半球形透镜探针，能够对样品表面进行切向和法向的力学测量，能够在对样品表面进行切向和法向的力学测量，结合对样品进行的实时原位成像能够计算出样品的体积弹性模量，对有较大形变量的薄膜表面进行成像的效果较好，提高了测量精度，另外，对薄膜进行电学测量时的充电过程较快且易控制，并能够通过电晕充电方式对薄膜进行相关电学测量，能够同时测量薄膜的力学及电学性质。
Description
技术领域
本实用新型涉及材料科学领域，尤其是一种能够同时测量薄膜的力学及电学性质的一种薄膜测试装置。
背景技术
介电薄膜材料应用广泛，在用于电子器件表面的绝缘时，需要具备低漏电率及高介电常数等电学特性，同时，薄膜的力学特性如表面力有重要的研究意义，包括法向和切向的形变及摩擦力的成像，但是，现有技术对有较大形变量的薄膜表面进行成像的效果较差，且对薄膜进行电学测量时的充电过程不易控制，所述一种薄膜测试装置能够解决问题。
实用新型内容
为了解决上述问题，本实用新型能够在对样品表面进行切向和法向的力学测量的同时进行原位成像，并能够通过电晕充电方式对薄膜进行相关电学测量。
本实用新型所采用的技术方案是：
所述一种薄膜测试装置主要包括光纤传感器I、反射镜I、光纤传感器II、反射镜II、探头、透镜探针、电晕探针、高压恒流源、金属罩、栅网、位移台、直流电源、电压源、样品、样品台、接地环电极、主电极、显微镜物镜、计算机、电流计和电流控制器，xyz为三维空间坐标系，所述探头具有前端和末端，所述探头从前端至末端由探针盘、悬臂和微驱动器连接而成，微驱动器能够在y方向移动，最小移动步进为60纳米、最大移动范围为30 毫米、最大移动速率为2毫米/秒，所述探针盘为圆盘状，探针盘下表面具有探针位I、探针位II和探针位III，所述探针位I位于探头前端，探针位I能够安装透镜探针、也能够安装电晕探针，探针位II能够安装透镜探针，探针位III能够安装电晕探针，能够将透镜探针从探针位II切换至探针位I以进行力学实验，能够将电晕探针从探针位II切换至探针位I以进行电学实验，探针盘上表面安装有反射镜II，反射镜II与xz平面平行，探针盘侧面安装有反射镜 I，反射镜I与xy平面平行；光纤传感器I和光纤传感器II分别电缆连接计算机，光纤传感器I的位置固定并正对着反射镜I，光纤传感器II的位置固定并正对着反射镜II，透镜探针顶端是一个直径范围为1.5毫米至4毫米的半球形的玻璃透镜，电晕探针电缆连接高压恒流源，电晕探针长为20毫米、直径为0.3毫米；探头的透镜探针和电晕探针的下方依次安装有金属罩和栅网，所述金属罩和栅网均连接于位移台，位移台能够分别控制金属罩和栅网移动，金属罩通过位移台电缆连接直流电源，金属罩是长度为24毫米、底面直径为18毫米的圆柱面，圆柱面的轴线沿y方向，栅网是由直径为0.2毫米的金属线组成的边长为2毫米的正方形网格，栅网通过位移台电缆连接电压源，电压源电缆连接电流控制器；样品台位于栅网下方，样品台能够在xz平面内移动，最小移动步进为60纳米、最大移动范围为30毫米、最大移动速率为2毫米/秒，样品台底部具有接地环电极和主电极，所述接地环电极外径为20毫米、内径为18毫米，所述主电极为直径14毫米的圆盘并能够透光，样品位于样品台内，样品分别与接地环电极和主电极接触，主电极依次电缆连接电流计、电流控制器和计算机，显微镜物镜位于样品台下方；电流计测得的样品充电电流I1输入到电流控制器，计算机中预设的样品充电电流I2输入到电流控制器，电流控制器比较I1和I2后输出反馈信号至电压源，以能够控制施加在栅网上的电压。
利用所述一种薄膜测试装置进行样品的力学性质测量的方法为：
一.将透镜探针切换到探头的探针位I；
二.控制微驱动器使得透镜探针移动至刚好接触样品表面；
三.显微镜物镜实时记录样品图像；
四.法向力测量：控制微驱动器使得透镜探针继续向样品表面施加压力，记录反射镜I和反射镜II的偏向，通过计算机得到法向的相互作用力，并与显微镜物镜记录的样品图像进行组合分析，得到样品表面形变与法向作用力之间的关系；
五.切向力测量：控制微驱动器以保持透镜探针与样品的法向力恒定，法向力范围为4mN至15mN，同时控制样品台使其在z方向移动，移动速度范围为1至10微米/秒，并与显微镜物镜记录的样品图像进行组合分析，得到样品形变与法向力及样品台移动速度的关系；
六.根据步骤四及步骤五的结果，并结合样品形变、样品与透镜探针之间的力、样品力学特性之间的关系，得到样品的体积弹性模量。
利用所述一种薄膜测试装置进行样品的电学性质测量的方法为：
准备步骤如下：
一.将电晕探针切换到探头的探针位I；
二.控制位移台将栅网移动至样品上方三毫米距离处，并通过电压源对其施加电压，所述电压典型值为50V；
三.控制位移台将金属罩移动至栅网上方四毫米距离处，并通过直流电源对其施加电压，所述电压典型值为1.5kV至2.5kV；
四.对样品充电：通过高压恒流源对电晕探针施加电流，电流典型值为二微安；
测量样品表面的电势衰减的步骤如下：
一.在计算机中预设样品充电电流I2＝0并输入至电流控制器，以改变栅网上的电压，使得电流计测得的样品充电电流I1＝0；
二.在计算机中预设样品充电电流I2，电流控制器比较I1和I2后输出反馈信号至电压源以控制施加在栅网上的电压，开始对样品充电；
三.一分钟后，再次在计算机中预设样品充电电流I2＝0，开始样品表面的电势衰减的测量；
四.通过实时监控Vg(t)随时间的变化来得到样品表面的电势V(t)。
测量样品的电容的方法如下：
在充电过程刚开始的时候，通过计算来得到样品的电容，通过薄膜样品的总电流为其，JC(t)为样品中导电电流密度的平均值，C为平均面积的样品薄膜的电容值，在时间接近于零时，JC(t)近似于零，简化得到J0＝C(dV(t)/dt)0，由 Vg(t)＝V(t)+Vag得到J0＝C(dV(t)/dt)0，这样，样品的电容能够直接从栅网电势Vag的变化中得到。
本实用新型的有益效果是：
本实用新型能够对样品表面进行切向和法向的力学测量，结合对样品进行的实时原位成像能够计算出样品的体积弹性模量，对有较大形变量的薄膜表面进行成像的效果较好，提高了测量精度，另外，对薄膜进行电学测量时的充电过程较快且易控制。
附图说明
下面结合本实用新型的图形进一步说明：
图1是本实用新型侧视示意图；
图2是探头的仰视图；
图3是图2的侧视图。
图中，1.光纤传感器I，2.反射镜I，3.光纤传感器II，4.反射镜II，5.探头，5-1. 探针盘，5-1-1.探针位I，5-1-2.探针位II，5-1-3.探针位III，5-2.悬臂，5-3.微驱动器，6. 透镜探针，7.电晕探针，8.高压恒流源，9.金属罩，10.栅网，11.位移台，12.直流电源， 13.电压源，14.样品，15.样品台，16.接地环电极，17.主电极，18.显微镜物镜，19.计算机， 20.电流计，21.电流控制器。
具体实施方式
如图1是本实用新型侧视示意图，xyz为三维空间坐标系，主要包括光纤传感器I(1)、反射镜I(2)、光纤传感器II(3)、反射镜II(4)、探头(5)、透镜探针(6)、电晕探针(7)、高压恒流源(8)、金属罩(9)、栅网(10)、位移台(11)、直流电源(12)、电压源(13)、样品(14)、样品台(15)、接地环电极(16)、主电极(17)、显微镜物镜(18)、计算机(19)、电流计(20)和电流控制器(21)，光纤传感器I(1)和光纤传感器II(3)分别电缆连接计算机(19)，光纤传感器I(1)的位置固定并正对着反射镜I (2)，光纤传感器II(3)的位置固定并正对着反射镜II(4)，透镜探针(6)顶端是一个直径范围为1.5毫米至4毫米的半球形的玻璃透镜，电晕探针(7)电缆连接高压恒流源(8)，电晕探针(7)长为20毫米、直径为0.3毫米；探头(5)的透镜探针(6)和电晕探针(7) 的下方依次安装有金属罩(9)和栅网(10)，所述金属罩(9)和栅网(10)均连接于位移台(11)，位移台(11)能够分别控制金属罩(9)和栅网(10)移动，金属罩(9)通过位移台(11)电缆连接直流电源(12)，金属罩(9)是长度为24毫米、底面直径为18毫米的圆柱面，圆柱面的轴线沿y方向，栅网(10)是由直径为0.2毫米的金属线组成的边长为2毫米的正方形网格，栅网(10)通过位移台(11)电缆连接电压源(13)，电压源(13)电缆连接电流控制器(21)；样品台(15)位于栅网(10)下方，样品台(15)能够在xz平面内移动，最小移动步进为60纳米、最大移动范围为30毫米、最大移动速率为2毫米/秒，样品台(15)底部具有接地环电极(16)和主电极(17)，所述接地环电极(16)外径为20毫米、内径为18毫米，所述主电极(17)为直径14毫米的圆盘并能够透光，样品(14)位于样品台(15)内，样品(14)分别与接地环电极(16)和主电极(17)接触，主电极(17) 依次电缆连接电流计(20)、电流控制器(21)和计算机(19)，显微镜物镜(18)位于样品台(15)下方；电流计(20)测得的样品(14)充电电流I1输入到电流控制器(21)，计算机(19)中预设的样品(14)充电电流I2输入到电流控制器(21)，电流控制器(21)比较I1和I2后输出反馈信号至电压源(13)，以能够控制施加在栅网(10)上的电压。
如图2是探头的仰视图，如图3是图2的侧视图，xyz为三维空间坐标系，所述探头(5)具有前端和末端，所述探头(5)从前端至末端由探针盘(5-1)、悬臂(5-2)和微驱动器(5-3)连接而成，微驱动器(5-3)能够在y方向移动，最小移动步进为60纳米、最大移动范围为30毫米、最大移动速率为2毫米/秒，所述探针盘(5-1)为圆盘状，探针盘(5-1) 下表面具有探针位I(5-1-1)、探针位II(5-1-2)和探针位III(5-1-3)，所述探针位I(5-1-1) 位于探头(5)前端，探针位I(5-1-1)能够安装透镜探针(6)、也能够安装电晕探针(7)，探针位II(5-1-2)能够安装透镜探针(6)，探针位III(5-1-3)能够安装电晕探针(7)，能够将透镜探针(6)从探针位II(5-1-2)切换至探针位I(5-1-1)以进行力学实验，能够将电晕探针(7)从探针位II(5-1-2)切换至探针位I(5-1-1)以进行电学实验，探针盘(5-1) 上表面安装有反射镜II(4)，反射镜II(4)与xz平面平行，探针盘(5-1)侧面安装有反射镜I(2)，反射镜I(2)与xy平面平行。
电学测量原理：
高压恒流源(8)对电晕探针(7)施加高电压使得电晕探针(7)产生正离子或负离子，金属罩(9)位于电晕探针(7)外侧，浮地的直流电源(12)对金属罩(9)施加高压电势，使得金属罩(9)以静电透镜形式工作，金属制成的栅网(10)位于样品台(15)上方，用于控制漂移到样品台(15)电晕离子的数量，样品(14)位于样品座上，电晕离子通过样品台(15)的主电极(17)对样品(14)充电，电流计(20)用于测量通过样品(14)的充电电流，所述高压恒流源(8)保证了电晕探针(7)发射出的电晕离子电流为恒定，而不受栅网(10)上的电势大小的影响，栅网(10)连接电压源(13)，使得样品的充电电流I2保持恒定。栅网(10)上的电压Vg(t)与样品(14)表面电压V(t)之间的关系Vg(t)＝V(t)+Vag，其中Vag为样品(14)表面与栅网(10)之间的电势差，当样品(14)充电过程开始时，Vg(t) 的突变为ΔVgi＝Vag(I2)-Vag0(I2)，其中I2为计算机(19)中预设样品(14)充电电流，Vag(I2) 为样品(14)充电电流为I2时对应的样品(14)表面与栅网(10)之间的电势差，Vag0(I2)为样品(14)充电电流I2＝0时对应的样品(14)表面与栅网(10)之间的电势差；当样品(14) 充电过程停止时，Vg(t)的突变为ΔVgf＝-ΔVgi，由于在对样品(14)进行恒流充电时，ΔVag＝0，因此，ΔV(t)＝ΔVg(t)，即V(t)能够通过Vg(t)随时间的变化来得到。
力学测量原理：
悬臂(5-2)的力学特性如刚性及弹性系数为已知，透镜探针(6)与样品(14)表面的相互作用力使得悬臂(5-2)发生微小的偏向，从而导致了反射镜I(2)和反射镜II(4) 也发生偏向，光纤传感器I(1)和光纤传感器II(3)能够分别探测反射镜I(2)和反射镜 II(4)的偏向，并将获得的数据输入计算机(19)，以得到悬臂(5-2)的偏向信息，进一步分析能够得到透镜探针(6)与样品(14)表面分别在法向及切向的相互作用力。同时，通过显微镜物镜(18)记录透镜探针(6)与样品(14)表面的相互作用时的样品(14)的图像，并与悬臂(5-2)的偏向信息相结合，能够获得样品(14)形变及弛豫过程中的力学信息。样品(14)形变、样品(14)与透镜探针(6)之间的力、样品(14)力学特性之间的关系如下其中a为样品(14)与透镜探针(6)的接触区域的半径，R为透镜探针(6)顶端的玻璃透镜的半径，k为样品(14)的体积弹性模量，E*为有效模量，W为粘附功，p为样品(14)与透镜探针(6)之间的力。
所述一种薄膜测试装置主要包括光纤传感器I(1)、反射镜I(2)、光纤传感器 II(3)、反射镜II(4)、探头(5)、透镜探针(6)、电晕探针(7)、高压恒流源(8)、金属罩(9)、栅网(10)、位移台(11)、直流电源(12)、电压源(13)、样品(14)、样品台(15)、接地环电极(16)、主电极(17)、显微镜物镜(18)、计算机(19)、电流计(20)和电流控制器(21)，xyz为三维空间坐标系，所述探头(5)具有前端和末端，所述探头(5)从前端至末端由探针盘(5-1)、悬臂(5-2)和微驱动器(5-3)连接而成，微驱动器(5-3)能够在y方向移动，最小移动步进为60纳米、最大移动范围为30毫米、最大移动速率为2毫米/秒，所述探针盘(5-1)为圆盘状，探针盘(5-1)下表面具有探针位I (5-1-1)、探针位II(5-1-2)和探针位III(5-1-3)，所述探针位I(5-1-1)位于探头(5) 前端，探针位I(5-1-1)能够安装透镜探针(6)、也能够安装电晕探针(7)，探针位II(5-1-2) 能够安装透镜探针(6)，探针位III(5-1-3)能够安装电晕探针(7)，能够将透镜探针(6) 从探针位II(5-1-2)切换至探针位I(5-1-1)以进行力学实验，能够将电晕探针(7)从探针位II(5-1-2)切换至探针位I(5-1-1)以进行电学实验，探针盘(5-1)上表面安装有反射镜II(4)，反射镜II(4)与xz平面平行，探针盘(5-1)侧面安装有反射镜I(2)，反射镜I(2)与xy平面平行；光纤传感器I(1)和光纤传感器II(3)分别电缆连接计算机 (19)，光纤传感器I(1)的位置固定并正对着反射镜I(2)，光纤传感器II(3)的位置固定并正对着反射镜II(4)，透镜探针(6)顶端是一个直径范围为1.5毫米至4毫米的半球形的玻璃透镜，电晕探针(7)电缆连接高压恒流源(8)，电晕探针(7)长为20毫米、直径为0.3毫米；探头(5)的透镜探针(6)和电晕探针(7)的下方依次安装有金属罩(9) 和栅网(10)，所述金属罩(9)和栅网(10)均连接于位移台(11)，位移台(11)能够分别控制金属罩(9)和栅网(10)移动，金属罩(9)通过位移台(11)电缆连接直流电源(12)，金属罩(9)是长度为24毫米、底面直径为18毫米的圆柱面，圆柱面的轴线沿y方向，栅网 (10)是由直径为0.2毫米的金属线组成的边长为2毫米的正方形网格，栅网(10)通过位移台(11)电缆连接电压源(13)，电压源(13)电缆连接电流控制器(21)；样品台(15) 位于栅网(10)下方，样品台(15)能够在xz平面内移动，最小移动步进为60纳米、最大移动范围为30毫米、最大移动速率为2毫米/秒，样品台(15)底部具有接地环电极(16) 和主电极(17)，所述接地环电极(16)外径为20毫米、内径为18毫米，所述主电极(17) 为直径14毫米的圆盘并能够透光，样品(14)位于样品台(15)内，样品(14)分别与接地环电极(16)和主电极(17)接触，主电极(17)依次电缆连接电流计(20)、电流控制器 (21)和计算机(19)，显微镜物镜(18)位于样品台(15)下方；电流计(20)测得的样品(14)充电电流I1输入到电流控制器(21)，计算机(19)中预设的样品(14)充电电流I2输入到电流控制器(21)，电流控制器(21)比较I1和I2后输出反馈信号至电压源(13)，以能够控制施加在栅网(10)上的电压。
本实用新型采用悬臂偏向的方法并结合半球形透镜探针，能够对样品表面进行切向和法向的力学测量，并采用显微镜从下方观测的方法能够对样品进行实时的原位成像，另外，通过切换电晕探针能够对薄膜进行相关电学测量。
Claims (1)
1.一种薄膜测试装置，主要包括光纤传感器I(1)、反射镜I(2)、光纤传感器II(3)、反射镜II(4)、探头(5)、透镜探针(6)、电晕探针(7)、高压恒流源(8)、金属罩(9)、栅网(10)、位移台(11)、直流电源(12)、电压源(13)、样品(14)、样品台(15)、接地环电极(16)、主电极(17)、显微镜物镜(18)、计算机(19)、电流计(20)和电流控制器(21)，xyz为三维空间坐标系，
其特征是：所述探头(5)具有前端和末端，所述探头(5)从前端至末端由探针盘(5-1)、悬臂(5-2)和微驱动器(5-3)连接而成，微驱动器(5-3)能够在y方向移动，最小移动步进为60纳米、最大移动范围为30毫米、最大移动速率为2毫米/秒，所述探针盘(5-1)为圆盘状，探针盘(5-1)下表面具有探针位I(5-1-1)、探针位II(5-1-2)和探针位III(5-1-3)，所述探针位I(5-1-1)位于探头(5)前端，探针位I(5-1-1)能够安装透镜探针(6)、也能够安装电晕探针(7)，探针位II(5-1-2)能够安装透镜探针(6)，探针位III(5-1-3)能够安装电晕探针(7)，能够将透镜探针(6)从探针位II(5-1-2)切换至探针位I(5-1-1)以进行力学实验，能够将电晕探针(7)从探针位II(5-1-2)切换至探针位I(5-1-1)以进行电学实验，探针盘(5-1)上表面安装有反射镜II(4)，反射镜II(4)与xz平面平行，探针盘(5-1)侧面安装有反射镜I(2)，反射镜I(2)与xy平面平行；
光纤传感器I(1)和光纤传感器II(3)分别电缆连接计算机(19)，光纤传感器I(1)的位置固定并正对着反射镜I(2)，光纤传感器II(3)的位置固定并正对着反射镜II(4)，透镜探针(6)顶端是一个直径范围为1.5毫米至4毫米的半球形的玻璃透镜，电晕探针(7)电缆连接高压恒流源(8)，电晕探针(7)长为20毫米、直径为0.3毫米；探头(5)的透镜探针(6)和电晕探针(7)的下方依次安装有金属罩(9)和栅网(10)，所述金属罩(9)和栅网(10)均连接于位移台(11)，位移台(11)能够分别控制金属罩(9)和栅网(10)移动，金属罩(9)通过位移台(11)电缆连接直流电源(12)，金属罩(9)是长度为24毫米、底面直径为18毫米的圆柱面，圆柱面的轴线沿y方向，栅网(10)是由直径为0.2毫米的金属线组成的边长为2毫米的正方形网格，栅网(10)通过位移台(11)电缆连接电压源(13)，电压源(13)电缆连接电流控制器(21)；
样品台(15)位于栅网(10)下方，样品台(15)能够在xz平面内移动，最小移动步进为60纳米、最大移动范围为30毫米、最大移动速率为2毫米/秒，样品台(15)底部具有接地环电极(16)和主电极(17)，所述接地环电极(16)外径为20毫米、内径为18毫米，所述主电极(17)为直径14毫米的圆盘并能够透光，样品(14)位于样品台(15)内，样品(14)分别与接地环电极(16)和主电极(17)接触，主电极(17)依次电缆连接电流计(20)、电流控制器(21)和计算机(19)，显微镜物镜(18)位于样品台(15)下方；电流计(20)测得的样品(14)充电电流I1输入到电流控制器(21)，计算机(19)中预设的样品(14)充电电流I2输入到电流控制器(21)，电流控制器(21)比较I1和I2后输出反馈信号至电压源(13)，以能够控制施加在栅网(10)上的电压。
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|---|---|---|---|
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Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
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| CN201821526249.6U Withdrawn - After Issue CN208833600U (zh) | 2018-09-06 | 2018-09-06 | 一种薄膜测试装置 |
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2018
- 2018-09-06 CN CN201821526249.6U patent/CN208833600U/zh not_active Withdrawn - After Issue
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| CN113588990B (zh) * | 2021-08-16 | 2024-05-10 | 深圳先进技术研究院 | 用于原子力显微镜的样品台、测试系统 |
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