專利名稱：用于微小熱容測量的結(jié)構(gòu)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及測量結(jié)構(gòu)及方法，特別涉及用于小熱容的測量結(jié)構(gòu)及方法。
背景技術(shù)：
對大樣品熱容一般采取絕熱方法測量，而對小樣品熱容的測量很難實現(xiàn)絕熱條件，普遍使用非絕熱的方法。目前，非絕熱方法已發(fā)展成為包括熱脈沖法、擴散法、熱時間延遲法、交流電流法幾種。其中脈沖法、擴散法、熱時間延遲法具有測量復(fù)雜和靈敏度低的缺點，而目前的交流電流法具有測量結(jié)構(gòu)制作難度大，尺寸大等缺點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提出一種用于微小熱容測量的新結(jié)構(gòu)及方法，其相應(yīng)結(jié)構(gòu)基于微機械加工技術(shù)，結(jié)構(gòu)小巧，易于制作；該方法具有分辨率高，測量對象的結(jié)構(gòu)小等優(yōu)點。
為達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供一種用于微小熱容測量的結(jié)構(gòu)，由襯底、懸梁和樣品臺組成，樣品臺通過懸梁與襯底相連，其樣品臺由支撐懸膜、薄膜電阻及絕緣層三部分組成；支撐懸膜上表面有薄膜電阻，支撐懸膜和薄膜電阻上方為絕緣層所覆蓋；薄膜電阻的兩端分別經(jīng)過懸梁與兩個電極相連，一對電極接電流，另一對電極用于測量電壓。
所述的用于微小熱容測量的結(jié)構(gòu)，其所述薄膜電阻即作加熱又作測量。
所述的用于微小熱容測量的結(jié)構(gòu)，其所述懸梁的個數(shù)不少于兩個。
所述的用于微小熱容測量的結(jié)構(gòu)，其所述支撐懸膜及懸梁由氮化硅、氧化硅材料通過微加工工藝制成。
所述的用于微小熱容測量的結(jié)構(gòu)，其所述薄膜電阻由具有較高溫度系數(shù)的金屬通過濺射或蒸發(fā)的方法制成，均勻分布在支撐懸膜上。
所述的用于微小熱容測量的結(jié)構(gòu)，其所述絕緣層為具有電絕緣性的薄膜。
一種用于微小熱容測量的方法，其原理為在薄膜電阻上加頻率為ω的交流電流，通過測量其兩端頻率為3ω的交流電壓，來得到熱容大小。
所述的方法，其包括下列步驟a.在薄膜電阻其中兩個電極上加一頻率為ω的交流電流I＝I0sinωt；b.在薄膜電阻的另兩個電極上將產(chǎn)生頻率為3ω的交流電壓分量，用鎖向放大器得到U3ω的值；c.根據(jù)步驟(b)中得到的U3ω，計算出樣品臺熱容CP的值；d.用濺射、蒸發(fā)或沉積方法在樣品臺上制作小熱容樣品；e.重復(fù)步驟(a)；f.重復(fù)步驟(b)；g.根據(jù)步驟(f)中得到的U3ω值，計算出包括樣品臺熱容CP和樣品熱容Cs在內(nèi)的總熱容C的值；h.根據(jù)步驟(c)中得到的樣品臺熱容CP以及步驟(g)中得到的總熱容C，得到樣品的熱容Cs。
所述的方法，其所述頻率為3ω的交流電壓，以下式計算U3ω≈αI03R024ωCsin(3ωt-φ).]]>本發(fā)明的優(yōu)點是從結(jié)構(gòu)上來講，由于薄膜電阻同時作加熱和測量用，簡化了測量結(jié)構(gòu)，使樣品臺的面積可減小到100μm×100μm，厚度可減小到1μm。從而，使得制作簡單，成品率提高。
從測量性能上講，具有很高的分辨率，ΔC/C可達到10-4。樣品臺的質(zhì)量能小到0.1μg數(shù)量級，具有很小的附加熱容，靈敏度遠高于目前的交流方法及其它方法。


圖1是本發(fā)明測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明測量電極分布示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的測量裝置測量裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，由襯底1、懸梁2和樣品臺3三部分組成，樣品臺3通過懸梁2與襯底1相連，懸梁2的個數(shù)不少于兩個。其中，樣品臺3部分由支撐懸膜4、薄膜電阻5及絕緣層6三部分組成；支撐懸膜4上表面有薄膜電阻5，支撐懸膜4和薄膜電阻5上方為絕緣層6所覆蓋；薄膜電阻5的兩端分別經(jīng)過懸梁2與兩個電極相連，一對電極接電流，另一對電極用于測量電壓，如圖2所示。支撐懸膜4以及懸梁2由氮化硅、氧化硅等易成膜的材料通過微加工工藝制成；薄膜電阻5由具有較高溫度系數(shù)的金屬(如鉑金)通過濺射或蒸發(fā)的方法制成，均勻分布在支撐懸膜4上，用于加熱和測量；絕緣層6為具有電絕緣性的薄膜，如氮化硅、氧化硅等。
本發(fā)明的測量步驟(1)在薄膜電阻其中兩個電極上加一頻率為ω的交流電流I＝I0sinωt，如圖2所示。
(2)在薄膜電阻的另兩個電極上將產(chǎn)生頻率為3ω的交流電壓分量U3ω≈αI03R024ωCsin(3ωt-φ),]]>用鎖向放大器得到U3ω的值。
其中，I0為交流電流的幅值；α為薄膜電阻的溫度系數(shù)；R0為薄膜電阻的初始電阻值；未加樣品時，C為樣品臺熱容CP，加上樣品時，C為樣品臺和樣品的總熱容；φ為電壓U3ω滯后于電流I的相位。
(3)根據(jù)步驟(2)中得到的U3ω，計算出樣品臺熱容CP的值。
(4)用濺射、蒸發(fā)或沉積方法在樣品臺3上制作小熱容樣品(薄膜、顆粒等)。
(5)重復(fù)步驟(1)。
(6)重復(fù)步驟(2)。
(7)根據(jù)步驟(6)中得到的U3ω值，計算出包括樣品臺熱容CP和樣品熱容Cs在內(nèi)的總熱容C的值。
根據(jù)步驟(3)中得到的樣品臺熱容CP以及步驟(7)中得到的總熱容C，得到樣品的熱容Cs。
權(quán)利要求
1.一種用于微小熱容測量的結(jié)構(gòu)，由襯底、懸梁和樣品臺組成，樣品臺通過懸梁與襯底相連，其特征在于，樣品臺由支撐懸膜、薄膜電阻及絕緣層三部分組成；支撐懸膜上表面有薄膜電阻，支撐懸膜和薄膜電阻上方為絕緣層所覆蓋；薄膜電阻的兩端分別經(jīng)過懸梁與兩個電極相連，一對電極接電流，另一對電極用于測量電壓。
2.如權(quán)利要求1所述的用于微小熱容測量的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述薄膜電阻即作加熱又作測量。
3.如權(quán)利要求1所述的用于微小熱容測量的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述懸梁的個數(shù)不少于兩個。
4.如權(quán)利要求1所述的用于微小熱容測量的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述支撐懸膜及懸梁由氮化硅、氧化硅材料通過微加工工藝制成。
5.如權(quán)利要求1所述的用于微小熱容測量的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述薄膜電阻由具有較高溫度系數(shù)的金屬通過濺射或蒸發(fā)的方法制成，均勻分布在支撐懸膜上。
6.如權(quán)利要求1所述的用于微小熱容測量的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述絕緣層為具有電絕緣性的薄膜。
7.一種用于微小熱容測量的方法，其特征在于，其原理為在薄膜電阻上加頻率為ω的交流電流，通過測量其兩端頻率為3ω的交流電壓，來得到熱容大小。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，包括下列步驟a.在薄膜電阻其中兩個電極上加一頻率為ω的交流電流I＝I0sinωt；b.在薄膜電阻的另兩個電極上將產(chǎn)生頻率為3ω的交流電壓分量，用鎖向放大器得到U3ω的值；c.根據(jù)步驟(b)中得到的U3ω，計算出樣品臺熱容CP的值；d.用濺射、蒸發(fā)或沉積方法在樣品臺上制作小熱容樣品；e.重復(fù)步驟(a)；f.重復(fù)步驟(b)；g.根據(jù)步驟(f)中得到的U3ω值，計算出包括樣品臺熱容CP和樣品熱容Cs在內(nèi)的總熱容C的值；h.根據(jù)步驟(c)中得到的樣品臺熱容CP以及步驟(g)中得到的總熱容C，得到樣品的熱容Cs。
9.如權(quán)利要求9或10所述的方法，其特征在于，所述頻率為3ω的交流電壓，以下式計算U3ω≈αI03R024ωCsin(3ωt-φ).]]>
全文摘要
本發(fā)明涉及測量結(jié)構(gòu)及方法，特別涉及用于小熱容的測量結(jié)構(gòu)及方法。該結(jié)構(gòu)由襯底、懸梁和樣品臺組成，樣品臺通過懸梁與襯底相連，其樣品臺由支撐懸膜、薄膜電阻及絕緣層三部分組成；支撐懸膜上表面有薄膜電阻，支撐懸膜和薄膜電阻上方為絕緣層所覆蓋；薄膜電阻的兩端分別經(jīng)過懸梁與兩個電極相連，一對電極接電流，另一對電極用于測量電壓。該方法原理為在薄膜電阻上加頻率為ω的交流電流，通過測量其兩端頻率為3ω的交流電壓，來得到熱容大小。本發(fā)明結(jié)構(gòu)小巧，易于制作；由于薄膜電阻同時作加熱和測量用，簡化了測量結(jié)構(gòu)，具有很高的分辨率，很小的附加熱容，靈敏度遠高于目前的交流電流方法及其它方法。
文檔編號G01N27/14GK1635368SQ20031011304
公開日2005年7月6日 申請日期2003年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月25日
發(fā)明者夏善紅, 宋青林, 陳紹鳳 申請人:中國科學(xué)院電子學(xué)研究所