本發(fā)明涉及微/納尺度下信號(hào)檢測(cè)領(lǐng)域，尤其是涉及一種用于掃描探針顯微鏡的探針夾持裝置。

背景技術(shù)：

微/納器件的發(fā)熱與散熱問題是目前制約電子器件穩(wěn)定性和集成度的一個(gè)重要瓶頸。在微/納尺度下研究材料的熱學(xué)性質(zhì)，理解發(fā)熱和散熱的物理過程已經(jīng)引起人們關(guān)注，并逐步發(fā)展成為一個(gè)新的學(xué)科——微/納尺度熱科學(xué)。

在使役條件下，材料的發(fā)熱與散熱過程通常與材料的微觀結(jié)構(gòu)以及疇結(jié)構(gòu)(包括磁疇結(jié)構(gòu)、鐵電/壓電疇結(jié)構(gòu)、導(dǎo)電疇結(jié)構(gòu)等)密切相關(guān)。以阻變材料為例，在電場(chǎng)的作用下，由于離子輸運(yùn)或電化學(xué)反應(yīng)過程導(dǎo)致形成導(dǎo)電區(qū)域或?qū)щ娊z，由于導(dǎo)電疇或?qū)щ娊z的局域焦耳熱效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致電阻態(tài)的切換。所以理解導(dǎo)電疇/導(dǎo)電絲結(jié)構(gòu)與熱分布之間的關(guān)聯(lián)，對(duì)控制導(dǎo)電絲的形成過程，提高阻變存儲(chǔ)器件的電阻參數(shù)的一致和穩(wěn)定性至關(guān)重要?？梢?，為了降低磁電器的功耗，提高穩(wěn)定性和集成度，研究微區(qū)發(fā)熱與導(dǎo)電過程與微觀機(jī)制非常重要。所以如果能夠在微區(qū)內(nèi)原位同步實(shí)現(xiàn)地表征電學(xué)性質(zhì)和熱學(xué)性質(zhì)，研究導(dǎo)電疇結(jié)構(gòu)與微區(qū)溫度以及熱導(dǎo)之間的關(guān)聯(lián)，對(duì)于理解微/納尺度的器件的微區(qū)發(fā)熱與散熱的物理機(jī)制，降低器件發(fā)熱、提高器件的散熱能力和集成度具有重要的意義。

到目前為止，盡管人們已經(jīng)發(fā)展了基于掃描探針顯微鏡的微區(qū)熱成像技術(shù)，但是只能夠單一地獲得熱學(xué)信息，尚不能原位同步實(shí)時(shí)獲得其他物性信息，比如鐵電/壓電疇結(jié)構(gòu)、導(dǎo)電疇結(jié)構(gòu)等，無法進(jìn)行電-熱耦合成像，因而限制了對(duì)材料中發(fā)熱與散熱的物理機(jī)制的深入理解。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出一種用于掃描探針顯微鏡的探針夾持裝置，該探針夾持裝置不僅能夠?qū)⑻结樄潭ㄔ趻呙杵魃?，而且能夠同時(shí)探測(cè)材料的熱學(xué)信號(hào)和電學(xué)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)原位同步實(shí)時(shí)的電-熱成像，實(shí)現(xiàn)原位同步動(dòng)態(tài)地觀察材料的溫度與熱導(dǎo)分布、導(dǎo)電疇結(jié)構(gòu)及其動(dòng)態(tài)演化過程。

探針通過所述的探針夾持裝置固定在掃描器上，掃描器帶動(dòng)探針產(chǎn)生與樣品之間的相對(duì)位移，

針對(duì)以上局限性，本發(fā)明提出一種新型電-熱多參量耦合掃描探針顯微鏡探針的夾持裝置的設(shè)計(jì)，用來夾持能夠同時(shí)探測(cè)熱學(xué)信號(hào)和電學(xué)信號(hào)的探針，實(shí)現(xiàn)原位同步實(shí)時(shí)的電-熱成像，進(jìn)而，在原位施加電場(chǎng)、溫度場(chǎng)裝置，可以模擬實(shí)際使役環(huán)境，實(shí)現(xiàn)在多重場(chǎng)的激勵(lì)或作用下原位同步動(dòng)態(tài)地觀察材料的溫度與熱導(dǎo)分布、導(dǎo)電疇結(jié)構(gòu)及其動(dòng)態(tài)演化過程，可以原位直觀地研究材料的熱電之間的耦合規(guī)律和機(jī)制。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種用于掃描探針顯微鏡的探針夾持裝置，探針通過所述的探針夾持裝置固定在掃描器上，掃描器帶動(dòng)探針產(chǎn)生與待測(cè)樣品之間的相對(duì)位移，所述的探針具有導(dǎo)電性與導(dǎo)熱性，用于探測(cè)電、熱信號(hào)；

所述的探針夾持裝置包括電路主板、探針定位塊，以及用于將探針固定在探針定位塊上的夾具；

所述的探針定位塊位于電路主板上；電路主板與掃描器之間電連通，探針定位塊與掃描器之間電連通；激勵(lì)信號(hào)源一激勵(lì)電信號(hào)，該電信號(hào)流入探針、樣品，大地，形成電回路，經(jīng)采集分析得到樣品的電信號(hào)；

所述的夾具包括與探針相接觸的夾片；激勵(lì)信號(hào)源二的正負(fù)極通過夾片上的兩條電引線與探針形成熱學(xué)回路，即，激勵(lì)信號(hào)源二激勵(lì)電信號(hào)流經(jīng)探針上下表面，探針與樣品接觸時(shí)進(jìn)行熱交換，使熱學(xué)回路中的電信號(hào)發(fā)生變化，經(jīng)采集分析得到樣品的熱信號(hào)。

作為一種實(shí)現(xiàn)方式，掃描器通過插針、插孔的插合方式與電路主板上的信號(hào)線纜實(shí)現(xiàn)電連接。

作為一種實(shí)現(xiàn)方式，所述的激勵(lì)信號(hào)源一集成在掃描器上，探針定位塊與探針電連通。在這種實(shí)現(xiàn)方式中，作為優(yōu)選，電路主板包括兩個(gè)過孔焊盤，一個(gè)過孔與其焊點(diǎn)由信號(hào)線實(shí)現(xiàn)與掃描器的電連接，另一個(gè)過孔與其焊點(diǎn)由信號(hào)線實(shí)現(xiàn)與探針定位塊的電連接。作為進(jìn)一步優(yōu)選，過孔中的插孔為兩個(gè)冠簧插孔。

作為一種實(shí)現(xiàn)方式，所述的激勵(lì)信號(hào)源二集成在掃描器上。在這種實(shí)現(xiàn)方式中，作為優(yōu)選，電路主板包括一個(gè)過孔焊盤，其焊點(diǎn)由信號(hào)線實(shí)現(xiàn)與夾片上的兩條電引線的電連接。

作為一種實(shí)現(xiàn)方式，所述的兩條電引線設(shè)置在夾片與探針相接觸的表面，分別連接探針的上、下表面，與激勵(lì)信號(hào)源一形成熱學(xué)回路。

作為一種實(shí)現(xiàn)方式，所述的探針夾持裝置還包括導(dǎo)電支撐塊，所述的導(dǎo)電支撐塊位于電路主板上，與電路主板之間電連通，所述的探針定位塊位于導(dǎo)電支撐塊上，與導(dǎo)電支撐塊形成電連通。

作為優(yōu)選，所述的電路主板設(shè)置第一凹槽，探針定位塊固定于該第一凹槽內(nèi)。

作為優(yōu)選，探針定位塊設(shè)置第二凹槽，用于放置探針。

作為優(yōu)選，第二凹槽與水平面形成一定夾角，有利于探針固定在探針定位塊，防止其下滑等，該夾角進(jìn)一步優(yōu)選約為10°。

作為優(yōu)選，所述的夾具為彈性?shī)A具。作為一種實(shí)現(xiàn)方式，彈性?shī)A具包括夾片、彈簧、以及連接件；夾片通過連接件可活動(dòng)地連接在電路主板上，彈簧位于夾片一端與電路主板之間，彈簧提供彈力，使夾片另一端夾住探針，使其固定在探針定位塊上。

作為優(yōu)選，電路主板設(shè)置第三凹槽，第三凹槽中放置彈簧。

作為優(yōu)選，所述的連接件包括夾片上的固定孔、螺絲，以及電路主板上的螺孔，螺絲穿過固定孔后與螺孔進(jìn)行螺紋連接，所述夾片可相對(duì)電路主板進(jìn)行前推或者后拉。向下按壓夾片一端，彈簧壓縮，并前推該夾片，使其另一端與探針接觸，然后釋放夾片一端，彈簧提供彈力，使夾片前端壓緊探針；反之，向下按壓夾片一端，并后拉該夾片，使其另一端離開探針，探針得到釋放。

作為優(yōu)選，夾片的另一端有個(gè)彎角結(jié)構(gòu)，用于加強(qiáng)對(duì)探針的壓緊。作為一種實(shí)現(xiàn)方式，所述的彎角結(jié)構(gòu)由夾片的另一端向上彎折后再向下、向內(nèi)彎折而形成。向上彎折的彎折部與夾片本體的夾角優(yōu)選為為10°至30°，向下彎折的彎折部?jī)?yōu)選與夾片本體平行，向內(nèi)彎折的彎折部?jī)?yōu)選與夾片本體垂直。與該彎角結(jié)構(gòu)相配，探針定位塊優(yōu)選設(shè)置探針定位槽，當(dāng)彎角結(jié)構(gòu)離開探針，探針得到釋放時(shí)，該彎角結(jié)構(gòu)落入該探針定位槽中。

本發(fā)明利用電路主板、探針定位塊、夾具等簡(jiǎn)單零件構(gòu)成探針夾持裝置，利用該探針夾持裝置將探針固定在掃描器上,掃描器帶動(dòng)探針產(chǎn)生與樣品之間的相對(duì)位移，并且利用該探針夾持裝置能夠同時(shí)探測(cè)材料的熱學(xué)信號(hào)和電學(xué)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)原位同步實(shí)時(shí)的電-熱成像，可以模擬實(shí)際使役環(huán)境，實(shí)現(xiàn)原位同步動(dòng)態(tài)地觀察材料的溫度與熱導(dǎo)分布、導(dǎo)電疇結(jié)構(gòu)及其動(dòng)態(tài)演化過程，原位直觀地研究材料的熱電之間的耦合規(guī)律和機(jī)制。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例中探針夾持裝置的立體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中探針夾持裝置的俯視圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例中探針夾持裝置的主視圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例中探針夾持裝置的電路主板結(jié)構(gòu)圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例中探針夾持裝置的主板印刷電路圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例中探針夾持裝置的探針定位塊的立體圖；

圖7為本發(fā)明實(shí)施例中探針夾持裝置的探針定位塊的主視圖；

圖8為本發(fā)明實(shí)施例中探針夾持裝置的探針定位塊的俯視圖；

圖9為本發(fā)明實(shí)施例中探針夾持裝置的探針定位塊的左視圖；

圖10為本發(fā)明實(shí)施例中探針夾持裝置的夾片的側(cè)面放大視圖；

圖11為本發(fā)明實(shí)施例中探針夾持裝置的夾片的俯視圖。

其中，電路主板(1)，冠簧插孔(2)，探針定位塊(3)，導(dǎo)電支撐塊(4)，螺絲(6)，彈簧(7)，夾片(8)，第一凹槽(9)，螺孔(10)，第三凹槽(11)，第二凹槽(12)，探針定位槽(13)，信號(hào)電纜(14)，固定孔(15)，限位片(16)，外接引線(17)。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的內(nèi)容更加清楚易懂，以下結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容作進(jìn)一步說明。當(dāng)然本發(fā)明并不局限于該具體實(shí)施例，本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員所熟知的一般替換也涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。

本實(shí)施例中，掃描型顯微鏡包括掃描器、探針，以及將探針固定在掃描器上的探針夾持裝置。探針具有導(dǎo)電性與導(dǎo)熱性。

探針夾持裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1～4所示。探針夾具包括電路主板(1)、探針定位塊(3)以及用于將探針固定在探針定位塊(3)上的夾具。

夾具為彈性?shī)A具，包括彈簧(7)、夾片(8)以及螺絲(6)。

電路主板(1)的結(jié)構(gòu)如圖5所示，其中第一凹槽(9)用于安裝探針定位塊(3)。在第一凹槽(9)中，導(dǎo)電支撐塊位于電路主板上，探針定位塊位于導(dǎo)電支撐塊上，與導(dǎo)電支撐塊形成電連通。第三凹槽(11)呈圓形，用于放置彈簧(7)。

如圖11所示，夾片(8)中部設(shè)有固定孔(15)，夾片(8)兩側(cè)設(shè)置限位片(16)。螺絲(6)穿過固定孔(15)與電路主板(1)上的螺孔(10)相螺紋連接，使夾片(8)可活動(dòng)地連接到電路主板(1)上，即夾片(8)可相對(duì)電路主板(1)進(jìn)行前推或者后拉。

探針定位塊3的結(jié)構(gòu)如圖5-8所示，是一個(gè)具有第二凹槽(12)的近似長(zhǎng)方體，第二凹槽(12)用于放置、固定探針。

導(dǎo)電支撐塊(4)參考尺寸可以采用長(zhǎng)寬高為4mm×3.5mm×1mm，其它尺寸也可；相對(duì)于導(dǎo)電支撐塊(4)的尺寸，探針定位塊(3)采用長(zhǎng)寬高為3.5mm×3mm×2mm，其它尺寸也可；第二凹槽(12)與探針定位塊(3)上表面之間的夾角約為10°。

如圖10、11所示，夾片(8)的前端有個(gè)彎角結(jié)構(gòu)，即一端向上彎折后再向下、向內(nèi)彎折，向上彎折的彎折部與夾片(8)本體的夾角約為10°，向下彎折的彎折部與夾片(8)本體的平行，向內(nèi)彎折的彎折部與夾片(8)本體垂直。夾片下表面印有兩條電路，分別連接探針的上、下表面。

與夾片結(jié)構(gòu)相配，探針定位塊3還設(shè)置探針定位槽(13)。工作狀態(tài)時(shí)，向下按壓夾片(8)的后端使彈簧(7)壓縮，夾片(8)的前端抬起，并前推夾片，使其前端的彎角結(jié)構(gòu)與探針接觸，然后釋放夾片后端，彈簧提供彈力，使夾片前端壓的彎角結(jié)構(gòu)緊探針；反之，向下按壓夾片后端使彈簧(7)壓縮，夾片(8)的前端抬起，并后拉夾片，使其前端的彎角結(jié)構(gòu)落入探針定位槽(13)中，即，該彎角結(jié)構(gòu)離開探針，探針得到釋放。

掃描器集成激勵(lì)信號(hào)源一與激勵(lì)信號(hào)源二的功能，探針定位塊3與探針電連通。電路主板(1)的具體印刷電路如圖4所示，四個(gè)冠簧插孔(2)焊接于電路主板(1)的a、b、c、d過孔焊盤上，用于實(shí)現(xiàn)與掃描器導(dǎo)電插針的機(jī)械插拔，通過信號(hào)線纜實(shí)現(xiàn)與電路主板的電連接。過孔a與焊點(diǎn)e由信號(hào)電纜實(shí)現(xiàn)電連接。焊點(diǎn)e通過引線實(shí)現(xiàn)與導(dǎo)電金屬塊之間的電連接。過孔c與焊點(diǎn)g由信號(hào)電纜實(shí)現(xiàn)電連接。焊點(diǎn)g通過引線實(shí)現(xiàn)與夾片上的兩條電引線的電連接。

工作狀態(tài)時(shí)，探針放置在第二凹槽中，測(cè)量電信號(hào)時(shí)探針與樣品接觸，樣品放置在樣品臺(tái)上從而接地；激勵(lì)信號(hào)源一激勵(lì)電信號(hào)，該電信號(hào)流入探針、樣品，大地，形成電回路，從而實(shí)現(xiàn)了樣品電信號(hào)的測(cè)量。激勵(lì)信號(hào)源二的正負(fù)極通過夾片上的兩條電引線與探針形成熱學(xué)回路，即，激勵(lì)信號(hào)源二激勵(lì)電信號(hào)流經(jīng)探針上下表面，探針與樣品接觸時(shí)進(jìn)行熱交換，使熱學(xué)回路中的電信號(hào)發(fā)生變化，經(jīng)采集分析得到樣品的熱信號(hào)。

本掃描型顯微鏡用探針夾持裝置的使用方法：通過冠簧插孔(2)與掃描器上對(duì)應(yīng)插針的機(jī)械插拔實(shí)現(xiàn)探針夾持裝置與掃描器的連接固定與分離；裝卸探針時(shí)，先把探針夾持裝置與掃描器分離，并通過下壓、向后拉夾片(8)與探針脫離，以便更換探針。

雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭示如上，然所述諸多實(shí)施例僅為了便于說明而舉例而已，并非用以限定本發(fā)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下可作若干的更改與潤(rùn)飾，本發(fā)明所主張的保護(hù)范圍應(yīng)以權(quán)利要求書所述為準(zhǔn)。