[發明專利]一種掃描探針組合納米量熱傳感器測量系統

有效

• 申請號: 202010626968.0
• 申請日: 2020-07-01
• 公開（公告）號: CN111999337B
• 公開（公告）日: 2023-10-20
• 發明（設計）人: 張海濤
• 申請（專利權）人: 天津丘山儀器科技有限公司
• 主分類號: G01N25/20
• 分類號: G01N25/20;G01K19/00
• 代理公司: 天津英揚昊睿專利代理事務所(普通合伙) 12227
• 代理人: 李福新

本發明提供一種掃描探針組合納米量熱傳感器測量系統，包括真空泵、真空規管、真空腔等，所述真空泵和真空腔連接，所述真空腔內安裝有測量結構，所述真空腔通過真空電穿通、導線和測量儀連接，所述測量儀通過數據線和計算機連接，所述計算機通過數據線和位移控制器、真空規管連接；本發明設計了一種組合納米量熱傳感器陣列，以及相應的測試系統。其傳感器陣列由多個納米量熱傳感器組成，每個納米量熱傳感器的電氣連接引腳布置在其周圍，納米量熱傳感器與外部測試系統的電氣連接由三維位移臺控制探針頭來實現。

技術領域

本發明涉及材料測量與分析領域，具體涉及一種掃描探針組合納米量熱傳感器測量系統。

背景技術

量熱法(calorimetry)可以測量材料的熔點、相變溫度、以及焓變的多種信息，是一種廣泛應用的研究的材料熱力學性質的手段。由于常規量熱法適用于宏觀尺度樣品，其升溫降溫速率通常比較低，對于快速的化學反應和材料相變等動力學特征信息無法捕捉。

納米量熱是量熱法在納米尺度上的一種拓展。納米量熱由伊利諾伊大學香檳分校的Allen等人與上個世紀九十年代開發【Lai,S.L.,Ramanath,G., Allen,L.H.,Infante,P.,Ma,Z.(1995).High-speed(104℃/s) scanning microcalorimetry with monolayersensitivity(J/m2).Applied Physics Letters,67(9),1229.】。納米量熱方法采用微機電(MEMS)工藝制備傳感器，這種傳感器的自身熱熔和熱質量非常小，經過優化設計能夠獲得優于1nJ/K的靈敏度和105K/s的掃描速率，靈敏度和掃描速率均遠高于傳統量熱法，擁有傳統量熱方法不可比擬的優勢。

1995年加州大學伯克利分校的X.-D.Xiang等人提出了組合材料學的概念，即運用現代半導體芯片技術與材料研究相結合，將多種不同成分的材料制備在一塊微小的芯片上，并運用精密測量技術對其進行高通量的測試【Xiang,X. D.-D.,Sun,X.,G.,Lou,Y.,Wang,K.-A.A.,Chang,H.,…Schultz, P.G.(1995).A Combinatorial Approachto Materials Discovery.Science, 268(5218),1738–1740.】。這種方法在一次實驗中可以實現成百上千種材料的合成和表征測試，使傳統實驗方法需要幾年時間才能完成的實驗量在一周之內即可完成，大幅度提高了材料實驗效率。

組合材料學的出現為納米量熱法提供了新的思路，哈佛大學的Vlassak 等人開發了組合納米量熱技術，這種技術在一個基底制造由25個納米量熱傳感器組成的陣列，結合共沉積方法可以實現多種不同成分材料的快速測量和篩選【McCluskey,P.J.,Vlassak,J.J.(2011).Combinatorial nanocalorimetry.Journal of Materials Research,25(11),2086–2100.】。

這項技術需要使用芯片測試行業常用的懸臂探針卡進行傳感器與測試系統的電氣連接，為了便于探針卡與傳感器的電氣連接，傳感器的所有引腳布置在芯片四周。這種方案的問題在于布線會占用很多芯片空間，隨著傳感器數量增多，布線將會占用越來越多的面積。并且走線長度過長會帶來寄生電容、寄生電感、增大電阻，同時也會面臨信號串擾問題。對于更加復雜的傳感器，更多的引腳數量會使上述問題更加嚴重，導致在一個晶圓上容納數量更多、結構或功能更復雜的傳感器變得非常困難，甚至不能實現，嚴重制約了組合納米量熱技術的測試通量和效率。

發明內容