专利名称：用于微小热容测量的结构及方法
技术领域：
本发明涉及测量结构及方法，特别涉及用于小热容的测量结构及方法。
背景技术：
对大样品热容一般采取绝热方法测量，而对小样品热容的测量很难实现绝热条件，普遍使用非绝热的方法。目前，非绝热方法已发展成为包括热脉冲法、扩散法、热时间延迟法、交流电流法几种。其中脉冲法、扩散法、热时间延迟法具有测量复杂和灵敏度低的缺点，而目前的交流电流法具有测量结构制作难度大，尺寸大等缺点。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺点，提出一种用于微小热容测量的新结构及方法，其相应结构基于微机械加工技术，结构小巧，易于制作；该方法具有分辨率高，测量对象的结构小等优点。
为达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种用于微小热容测量的结构，由衬底、悬梁和样品台组成，样品台通过悬梁与衬底相连，其样品台由支撑悬膜、薄膜电阻及绝缘层三部分组成；支撑悬膜上表面有薄膜电阻，支撑悬膜和薄膜电阻上方为绝缘层所覆盖；薄膜电阻的两端分别经过悬梁与两个电极相连，一对电极接电流，另一对电极用于测量电压。
所述的用于微小热容测量的结构，其所述薄膜电阻即作加热又作测量。
所述的用于微小热容测量的结构，其所述悬梁的个数不少于两个。
所述的用于微小热容测量的结构，其所述支撑悬膜及悬梁由氮化硅、氧化硅材料通过微加工工艺制成。
所述的用于微小热容测量的结构，其所述薄膜电阻由具有较高温度系数的金属通过溅射或蒸发的方法制成，均匀分布在支撑悬膜上。
所述的用于微小热容测量的结构，其所述绝缘层为具有电绝缘性的薄膜。
一种用于微小热容测量的方法，其原理为在薄膜电阻上加频率为ω的交流电流，通过测量其两端频率为3ω的交流电压，来得到热容大小。
所述的方法，其包括下列步骤a.在薄膜电阻其中两个电极上加一频率为ω的交流电流I＝I0sinωt；b.在薄膜电阻的另两个电极上将产生频率为3ω的交流电压分量，用锁向放大器得到U3ω的值；c.根据步骤(b)中得到的U3ω，计算出样品台热容CP的值；d.用溅射、蒸发或沉积方法在样品台上制作小热容样品；e.重复步骤(a)；f.重复步骤(b)；g.根据步骤(f)中得到的U3ω值，计算出包括样品台热容CP和样品热容Cs在内的总热容C的值；h.根据步骤(c)中得到的样品台热容CP以及步骤(g)中得到的总热容C，得到样品的热容Cs。
所述的方法，其所述频率为3ω的交流电压，以下式计算U3ω≈αI03R024ωCsin(3ωt-φ).]]>本发明的优点是从结构上来讲，由于薄膜电阻同时作加热和测量用，简化了测量结构，使样品台的面积可减小到100μm×100μm，厚度可减小到1μm。从而，使得制作简单，成品率提高。
从测量性能上讲，具有很高的分辨率，ΔC/C可达到10-4。样品台的质量能小到0.1μg数量级，具有很小的附加热容，灵敏度远高于目前的交流方法及其它方法。
图1是本发明测量装置结构示意图；图2是本发明测量电极分布示意图。
具体实施例方式
本发明的测量装置测量装置结构如图1所示，由衬底1、悬梁2和样品台3三部分组成，样品台3通过悬梁2与衬底1相连，悬梁2的个数不少于两个。其中，样品台3部分由支撑悬膜4、薄膜电阻5及绝缘层6三部分组成；支撑悬膜4上表面有薄膜电阻5，支撑悬膜4和薄膜电阻5上方为绝缘层6所覆盖；薄膜电阻5的两端分别经过悬梁2与两个电极相连，一对电极接电流，另一对电极用于测量电压，如图2所示。支撑悬膜4以及悬梁2由氮化硅、氧化硅等易成膜的材料通过微加工工艺制成；薄膜电阻5由具有较高温度系数的金属(如铂金)通过溅射或蒸发的方法制成，均匀分布在支撑悬膜4上，用于加热和测量；绝缘层6为具有电绝缘性的薄膜，如氮化硅、氧化硅等。
本发明的测量步骤(1)在薄膜电阻其中两个电极上加一频率为ω的交流电流I＝I0sinωt，如图2所示。
(2)在薄膜电阻的另两个电极上将产生频率为3ω的交流电压分量U3ω≈αI03R024ωCsin(3ωt-φ),]]>用锁向放大器得到U3ω的值。
其中，I0为交流电流的幅值；α为薄膜电阻的温度系数；R0为薄膜电阻的初始电阻值；未加样品时，C为样品台热容CP，加上样品时，C为样品台和样品的总热容；φ为电压U3ω滞后于电流I的相位。
(3)根据步骤(2)中得到的U3ω，计算出样品台热容CP的值。
(4)用溅射、蒸发或沉积方法在样品台3上制作小热容样品(薄膜、颗粒等)。
(5)重复步骤(1)。
(6)重复步骤(2)。
(7)根据步骤(6)中得到的U3ω值，计算出包括样品台热容CP和样品热容Cs在内的总热容C的值。
根据步骤(3)中得到的样品台热容CP以及步骤(7)中得到的总热容C，得到样品的热容Cs。
权利要求
1.一种用于微小热容测量的结构，由衬底、悬梁和样品台组成，样品台通过悬梁与衬底相连，其特征在于，样品台由支撑悬膜、薄膜电阻及绝缘层三部分组成；支撑悬膜上表面有薄膜电阻，支撑悬膜和薄膜电阻上方为绝缘层所覆盖；薄膜电阻的两端分别经过悬梁与两个电极相连，一对电极接电流，另一对电极用于测量电压。
2.如权利要求1所述的用于微小热容测量的结构，其特征在于，所述薄膜电阻即作加热又作测量。
3.如权利要求1所述的用于微小热容测量的结构，其特征在于，所述悬梁的个数不少于两个。
4.如权利要求1所述的用于微小热容测量的结构，其特征在于，所述支撑悬膜及悬梁由氮化硅、氧化硅材料通过微加工工艺制成。
5.如权利要求1所述的用于微小热容测量的结构，其特征在于，所述薄膜电阻由具有较高温度系数的金属通过溅射或蒸发的方法制成，均匀分布在支撑悬膜上。
6.如权利要求1所述的用于微小热容测量的结构，其特征在于，所述绝缘层为具有电绝缘性的薄膜。
7.一种用于微小热容测量的方法，其特征在于，其原理为在薄膜电阻上加频率为ω的交流电流，通过测量其两端频率为3ω的交流电压，来得到热容大小。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，包括下列步骤a.在薄膜电阻其中两个电极上加一频率为ω的交流电流I＝I0sinωt；b.在薄膜电阻的另两个电极上将产生频率为3ω的交流电压分量，用锁向放大器得到U3ω的值；c.根据步骤(b)中得到的U3ω，计算出样品台热容CP的值；d.用溅射、蒸发或沉积方法在样品台上制作小热容样品；e.重复步骤(a)；f.重复步骤(b)；g.根据步骤(f)中得到的U3ω值，计算出包括样品台热容CP和样品热容Cs在内的总热容C的值；h.根据步骤(c)中得到的样品台热容CP以及步骤(g)中得到的总热容C，得到样品的热容Cs。
9.如权利要求9或10所述的方法，其特征在于，所述频率为3ω的交流电压，以下式计算U3ω≈αI03R024ωCsin(3ωt-φ).]]>
全文摘要
本发明涉及测量结构及方法，特别涉及用于小热容的测量结构及方法。该结构由衬底、悬梁和样品台组成，样品台通过悬梁与衬底相连，其样品台由支撑悬膜、薄膜电阻及绝缘层三部分组成；支撑悬膜上表面有薄膜电阻，支撑悬膜和薄膜电阻上方为绝缘层所覆盖；薄膜电阻的两端分别经过悬梁与两个电极相连，一对电极接电流，另一对电极用于测量电压。该方法原理为在薄膜电阻上加频率为ω的交流电流，通过测量其两端频率为3ω的交流电压，来得到热容大小。本发明结构小巧，易于制作；由于薄膜电阻同时作加热和测量用，简化了测量结构，具有很高的分辨率，很小的附加热容，灵敏度远高于目前的交流电流方法及其它方法。
文档编号G01N27/14GK1635368SQ20031011304
公开日2005年7月6日 申请日期2003年12月25日 优先权日2003年12月25日
发明者夏善红, 宋青林, 陈绍凤 申请人:中国科学院电子学研究所