专利名称：一种微纳米热检测传感组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种微纳米热检测传感组件，该传感组件是扫描探针热学显微成像系 统中的核心部件，属于仪器研制领域。
背景技术：
随着当前纳米技术的深入发展，迫切需要发展能够原位、无损、高分辨率表征材料 和器件微纳米尺度性能的检测技术，特别是热物性的表征技术。在微纳米尺度上，由于量子 效应、物质局限性及界面效应等因素，热物理性将产生明显的尺寸效应，从而直接影响材料 和器件的性能稳定性、可靠性及使用寿命。因此如何准确检测微纳米尺度热物性已日益为 人们所关注。原子力显微镜是当前开展材料和器件纳米结构成像的重要工具，在此基础上 发展新部件，拓展新功能，将极大地推动纳米表征技术的发展。目前，仅有个别公司在AFM 平台上生产提供具有微纳米热检测成像功能的商用产品。但该商用产品由于选用的测试方 法及相关装置的配套等技术问题，其热检测成像的分辨率仅为100纳米，该分辨率与当前 纳米科研的实际要求尚有距离。同时，该产品相关的热检测附件是专用的，与其他商用AFM 仪器在结构上不兼容，使得其他AFM仪器用户难以直接应用上述的热检测附件构成微纳米 热检测成像系统。为此，本发明研制了热成像分辨率高、结构具有一定通用性、并适宜安装 在不同AFM仪器上的微纳米热传感组件，目前国内外无这方面的报导。
发明内容
本发明目的在于提供一种能够用于微纳米热检测成像用的高灵敏度、性能稳定、 受环境波动影响小、结构通用的传感组件。该传感组件将原子力显微镜纳米检测功能与具 有热检测灵敏度高、测试数据准确、尤适于对微纳米量级绝缘薄膜材料与器件进行纵向热 导测量的3倍频检测模式结合起来，使系统的热成像分辨率优于60纳米。该传感组件采用 双探针结构的差动输入方式，克服环境波动的影响，保证了测试数据的准确。同时在结构上 将构成传感组件的部件集成在AFM探针支架上，解决了结构兼容的技术问题。为了实现上述目的，本发明提供了一种微纳米热检测传感组件，用于原子力显微 镜热成像系统，包括热探针，用于加热并探测被测样品的温度；参考探针，设置在所述热 探针一侧，用于在所述热探针检测时探测环境温度；磁性底座，设置在所述热探针底板下， 以磁力吸住所述热探针的底板，对所述热探针定位；隔离体，设置于所述磁性底座下方；定 位器，采用压板结构，将所述热探针的引线压住，对所述热探针起辅助定位作用；输出连接 体电路板，包括印刷线路板和连接器，所述印刷电路板与所述参考探针和所述热探针的输 出端相连，所述连接器用于与外部检测桥路相连；测试支架，用于固定所述输出连接体电路 板、磁性底座、隔离体和定位器。比较好的是，所述热探针为热阻型，呈V型结构。比较好的是，所述热探针在周期性信号激励下产生谐波效应，选取其3倍频的高 次谐波信号反映所述被测样品的热导率。
比较好的是，所述热探针的工作频率为lOOHz-lkHz，工作电流为lO-lOOmA。比较好的是，所述磁性底座由磁性材料构成，呈L型结构，其上端面与底面成一倾比较好的是，所述隔离体由绝缘材料构成。比较好的是，所述参考探针与热探针组成双探针结构，采用差动输入方式。本发明提供的微纳米热传感组件，不仅利用了传感元件的热电效应，还利用了相 关的电器特性，提升了检测信号的有效分量，增强了探测灵敏度，使热成像系统的分辨率优 于60纳米。同时，采用双探针配置，减小了环境波动对测试的影响。此外，热传感组件的结 构易与AFM仪器组合成热成像系统。上述的这项发明为微纳米热成像系统的实用化与普及 化提供了重要的技术保证，将对纳米科技研究起到一定的推动作用。
下面，参照附图，对于熟悉本技术领域的人员而言，从对本发明的详细描述中，本 发明的上述和其他目的、特征和优点将显而易见。图1为微纳米热检测传感组件结构示意图； 2(a)为低温共烧陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramics, LTCC)的形貌 像；图2(b)为扫描探针热学像；图2(c)为低温共烧陶瓷另一区域的扫描探针热学像；图2(d)为图(C)中标注区域的线扫描信号，反映扫描探针热学显微系统的成像分辨率；图3 (a)为铁磁记忆合金Ni53Mn24GEI23的形貌像；图3(b)为扫描探针热学像。
具体实施例方式图1给出了本发明的微纳米热检测传感组件的结构示意图。包括热探针2，磁性 底座3，隔离体4，定位器5，参考探针6，输出连接体电路板7，测试支架8。被测样品示意为 1。具体来说，热探针2选用热阻型探针，由Pt/I h材料制成。热探针2既是加热器件， 又是传感器件。在工作过程中，当热探针2通电后，产生一定的温升，此时热探针2接触到 被测样品1，探针2的针尖与被测样品1存在温差产生热交换，引起热探针温度变化，导致热 探针2的电阻阻值变化。该阻值变化直接与样品1微区热物性差异密切相关，因此检测这 种变化就可以获得样品1的热物性信息。由于热探针2的特殊工艺结构，其热电耦合效应在电学上可等效为线性元件(电 阻)与非线性元件(电容)连接的网络。该网络在周期性信号激励下，会产生谐波效应， 包括与激励信号同频的信号和高次谐波信号。根据热学理论分析，其中3倍频的高次谐波 信号直接反映被测样品的热导率这一重要热物性参数。为充分利用热探针的电学非线性 特性，采用网络分析仪器测试热探针的非线性参数，以便获得一定工作条件下的补偿参数， 从而得到最佳的检测信噪比。同时，本发明对热探针2采用交流加热方式(工作频率为 lOOHz-lkHz，工作电流为IO-IOOmA)，实施3倍频的微纳米热检测技术，提高了热检测的灵敏度与准确性。磁性底座3由磁性材料构成，放置于探针2的底板下，其功能是用磁力吸住底板， 以使热探针2定位。该部件呈L型结构，上端面与底面成一倾角，使热探针2的针尖与样品 保持良好的接触。该部件与热探针2合为一体，既方便热探针2的安装，又起到保护的作用。隔离体4由绝缘材料构成，放置于磁性底座下，起隔离作用。同时该部件可依据探 针支架的结构调整其尺寸大小。参考探针6与热探针2为同一类型的器件，放置在与热探针2相邻近的空间处。设 置这一部件是本技术方案的特点之一。在检测过程中，热探针2不仅与被测样品1进行热交 换，而且同时与环境进行热交换，环境温度发生波动可直接影响到测试结果准确性。为避免 这种情况，设置了双探针并采用差动输入方法，抵消了环境温度的波动所造成的不利影响。定位器5也采用压板结构，将热探针2的引线压住。通过锁紧引线，对热探针2起 到辅助定位作用。输出连接体电路板7由定制印刷线路板、电缆连接器等器件组成。在印刷线路板 上安置参考探针6，并设置专用端口解决本申请中各部件的电器连接及对外接口的问题。该 部件安装于探针支架8上。在机械部份，本发明的微纳米热检测传感组件包括三个部分a.热探针2的安装 定位部分，有4个部件包括热探针2、磁性底座3、隔离体4、支架8。热探针2放置在磁性底 座3上，靠磁力吸住，磁性底座3下放置隔离体4，这3个部件放置在支架8上。支架8设计 适合于所使用的系统的测试平台结构。b.辅助定位。由于磁力不宜精确定位，因而采用定 位器5的压板固定热探针2引线的方法解决这个问题。c.将参考探针6及输入和输出的接 插件都安装在输出连接体电路板7的一个印板上，规范部件间的引线，减小由于相互不当 连接而引入的噪声。印板的设计依据适用于所使用的测试平台结构。通过以下实施例，在SEIKO SPA400型号的AFM仪器上应用本发明所研制的系统对 低温共烧陶瓷材料与Ni53Mn24Ga23铁磁记忆合金材料进行检测与成像，以进一步说明本发明 的效果，但并非仅限于下述实施例。实施例1 应用本发明对低温共烧陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramics, LTCC)进行了热检测成像。LTCC是一种用于实现高集成度、高性能的电子封装新材料，制成 的器件广泛用于高频无线通讯领域、航空航天工业领域及计算机等领域。由于器件的微型 化与高度集成化，其微结构的热物性与器件的工作可靠性与使用寿命密切相关，至今未见 对这类材料微观热物性检测的报道。图2显示了测试结果。其中(a)图是样品的形貌AFM 像，是原子力显微镜原本具有的功能。(b)图是组建的热成像系统在样品原位进行的反映微 观热物性的SThM热学像。对于低温共烧陶瓷，其金属层的微结构及其分布的均勻性直接关 系到其性能。样品的金属层由银和钯组成，而陶瓷层则由PBNN构成。与形貌像相比，热学 像上清楚地显示了衬度较亮的层状结构，该层状结构对应热导率较高的金属电极。图2(c)与(d)反映了热学成像系统的成像分辨率。图2(c)为低温共烧陶瓷的扫 描热学图像，(d)为图(c)中标注区域的线扫描图像。根据AFM成像分辨率确定的通用方 法，若将相邻特征信息的最高与最低信息的横向间距定义为分辨率，那么线扫描图像显示 所建立的扫描热成像模式的分辨率达到56nm(图(d)中红色区域)，显示了在AFM仪器上应 用本发明所建立的热学成像系统具有较高的分辨率，优于60nm。5
实施例2 应用本发明对铁磁记忆合金Ni53Mn24Ga23材料进行了热检测成像。图3 显示了铁磁合金80μπιΧ80μπι扫描范围的形貌像和热学像的测试结果。其中图3(a)为形 貌像，显示了表面的划痕和缺陷，并无其他的信息。而图3(b)的热学像显示亮、暗衬度相间 分布的弯曲状微结构(如箭头所示区域)，该种结构热图像上可以大致确定这些条纹的宽 度为3 4 μ m。根据扫描热成像的衬度机制，若排除形貌像的影响，热图像主要反映样品微 区的热导率分布。图2反映了铁磁合金微区热导率不均勻性，该现象至今未见报道。从以上实施的实例表明，以本发明为核心技术构成的微纳米热成像系统具有优于 60纳米的高分辨率的成像特性，可实现对多种材料与功能器件微纳米尺度热物性的高分辨 原位表征与评价，可获得现有其他技术手段所不能获得的信息，为材料与器件的微纳米尺 度热物性研究提供了 一种新技术装置。前面提供了对较佳实施例的描述，以使本领域内的任何技术人员可使用或利用本 发明。对这些实施例的各种修改对本领域内的技术人员是显而易见的，可把这里所述的总 的原理应用到其他实施例而不使用创造性。因而，本发明将不限于这里所示的实施例，而应 依据符合这里所揭示的原理和新特征的最宽范围。
权利要求
1.一种微纳米热检测传感组件，用于原子力显微镜热成像系统，包括 热探针，用于加热并探测被测样品的温度；参考探针，设置在所述热探针一侧，用于在所述热探针检测时探测环境温度； 磁性底座，设置在所述热探针底板下，以磁力吸住所述热探针的底板，对所述热探针定位；隔离体，设置于所述磁性底座下方；定位器，采用压板结构，将所述热探针的引线压住，对所述热探针起辅助定位作用； 输出连接体电路板，包括印刷线路板和连接器，所述印刷电路板与所述参考探针和所 述热探针的输出端相连，所述连接器用于与外部检测桥路相连。
2.根据权利要求1所述的微纳米热检测传感组件，其特征在于，所述微纳米检测传感 组件进一步包括一测试支架，用于固定所述输出连接体电路板、磁性底座、隔离体和定位器。
3.根据权利要求2所述的微纳米热检测传感组件，其特征在于，所述热探针为热阻型， 呈V型结构。
4.根据权利要求3所述的微纳米热检测传感组件，其特征在于，所述热探针在周期性 信号激励下产生谐波效应，选取其3倍频的高次谐波信号反映所述被测样品的微纳米尺度 热导率。
5.根据权利要求4所述的微纳米热检测传感组件，其特征在于，所述热探针的工作频 率为IOOHz-IkHz，工作电流为10-100mA。
6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的微纳米热检测传感组件，其特征在于，所述 磁性底座由磁性材料构成，呈L型结构，其上端面与底面成一倾角。
7.根据权利要求6所述的微纳米热检测传感组件，其特征在于，所述隔离体由绝缘材 料构成
8.根据权利要求7所述的微纳米热检测传感组件，其特征在于，所述参考探针与热探 针组成双探针结构，采用差动输入方式。
全文摘要
本发明揭示了一种微纳米热检测传感组件，包括加热并探测被测样品温度的热探针；在热探针检测时探测环境温度的参考探针；以磁力吸住热探针的底板，对热探针定位的磁性底座；隔离体，设置于磁性底座下方；定位器，采用压板结构，将热探针的引线压住，对热探针起辅助定位作用；输出连接体电路板，包括印刷线路板和连接器，印刷电路板与参考探针和热探针的输出端相连，连接器用于与外部检测桥路相连；测试支架，用于固定输出连接体电路板、磁性底座、隔离体和定位器。本发明具有检测灵敏度高、抗外部环境干扰强等特点，并可与商用原子力显微镜(AFM)完全兼容，原位获得被测样品的形貌像与热学像。其热成像分辨率达60纳米，优于同类国外产品。
文档编号G01N25/00GK102053171SQ20091019845
公开日2011年5月11日 申请日期2009年11月9日 优先权日2009年11月9日
发明者惠森兴, 曾华荣, 李国荣, 殷庆瑞, 赵坤宇 申请人:中国科学院上海硅酸盐研究所