專利名稱：一種電場和溫場可變的電聲信號探測器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種電場和溫場可變的電聲信號探測器，屬于功能材料和器件領域。
掃描電聲顯微鏡(SEAM)是把現(xiàn)代電子光學技術、電聲技術、壓電傳感技術、弱信號檢測技術、圖像處理技術以及計算機技術等多項現(xiàn)代技術融為一體的儀器，它具有微區(qū)性能研究、內(nèi)部缺陷檢測和微結構分析的多功能綜合功能，在材料科學和功能器件研究和開發(fā)中已顯示了日益重要的作用。而多功能電聲信號探測器是掃描電聲顯微鏡系統(tǒng)中的核心部件，它不僅在電聲成像過程中可將聲能轉變成電能，更重要的可用它來檢測強度受調(diào)制的電子束與試樣互作用的而產(chǎn)生的有用信息。
然而，無論從基礎研究角度和實用的角度，人們更感興趣的這些互作用的信息在外界條件，如溫度、電場改變時的動態(tài)行為。亦就是說，不僅要求電聲信號探測器具有高靈敏度(因為含有試樣微結構、微區(qū)性能和缺陷信息的信號幅度都是非常微弱的)、寬頻帶、低燥聲、抗干擾，而且還要在不影響真空系統(tǒng)政黨工作的前提下，同時能改變溫場和電場。
因為電聲信號探測器是在高真空電子槍內(nèi)工作的，因此其結構必須緊湊，溫度和電壓的施加均必須方便可靠，且不干擾與之相貼近的前置放大器的功能，在技術上有相當?shù)碾y度。經(jīng)國際聯(lián)機檢索，至今尚未查到有關可變電場和溫場的多功能電聲信號探測器方面的專利和文獻報導，反映了這方面工作的復雜性。同時也說明本發(fā)明創(chuàng)造的實質(zhì)性特點和顯著的進步。
本實用新型的目的在于提供一種電場和溫場可變的多功能電聲信號探測器。亦即帶有可變的電場和溫場電聲信號探測器是被結構緊湊地安放在高真空電子槍內(nèi)，且電場和溫場的施加不會影響探測器的工作狀態(tài)及掃描電聲顯微鏡的正常工作。
以下結合附圖，對電場和溫場可變的多功能電聲信號探測器作詳細描述。
根據(jù)多功能電聲信號探測器的工作要求，主要由三部份構成。一是電聲信號傳感器及前置放大器；二是可變電場控制裝置；三是小型溫場可變的加熱爐及溫度控制裝置。


圖1為電場和溫場可變的多功能電聲信號探測器的結構示意圖。
圖2為圖1探測器中的電聲信號傳感器的結構示意圖。
圖3為圖1探測器中溫場可變的加熱爐結構示意圖。
圖中1．被測試樣，2．電聲信號傳感元件，3．電聲信號傳感器殼體，4．加熱爐殼體，5．前置放大器，6．溫度控制裝置，7．可變電場控制裝置，31．電聲信號傳感器蓋，32．電極片，33．輸出電纜，34．絕緣室，35．連接接口，41．加熱爐上隔板，42．加熱爐蓋，43．加熱爐下隔板，44．加熱爐芯，45．電熱絲，46．加熱爐下隔板，47．測溫元件。
現(xiàn)將示意圖1中各構件的作用的和結構上的相互關聯(lián)闡述如下。被測試樣1的形狀可以是體材料、薄片或薄膜，其材質(zhì)可以為金屬、非金屬以及半導體等，它放在電聲信號傳感元件上方，直接與傳感元件面接觸；電聲信號傳感元件2是選用高機電耦合系數(shù)材料，D33＞2000，Kp≈0．94，元件尺寸的確定取決于選擇的振動模式(諧振)；選用高居里溫度材料適用于高溫下工作，具有高能量轉換系數(shù)；電聲信號傳感器殼體3具有二個作用一是將被測試樣1與傳感元件2合為一體，組成電聲信號傳感器單元結構，二是可屏蔽電磁場引起的雜散信號；加熱爐殼體4的內(nèi)部放置加熱爐，采用螺紋連接上下二部分，能方便調(diào)換樣品，同時又可固定下隔板46；
前置放大器5結構上采用內(nèi)置式，即前置放大器緊連電聲傳感元件，可裝于電聲顯微鏡鏡筒內(nèi)，縮短信號引線，降低噪聲。電路上選取用新型半導體器件，達到了高增益、低噪聲且易與傳感元件相匹配；溫度控制裝置6用于對加熱爐提供加熱電源，控制被測試樣的溫度。為避免加熱電源對電聲顯微鏡電子光學系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，選用波紋因素小的可變直流電源；為擴大溫度可變的調(diào)節(jié)范圍，采用特殊電路設計，實現(xiàn)從接近零的起始電壓調(diào)節(jié)；電場可變控制裝置7，用于提供被測試樣的可變電場，它的特點之一是采用頂針接觸式將電場施加于被測樣品上，特點之二根據(jù)不同的實驗要求采用橫向和縱向二種方式控制，實時觀察被測試樣動態(tài)性能。
電聲信號傳感器是由電聲信號傳感器蓋31和屏蔽殼體3組成，探測器蓋的作用一是固定傳感元件2，消除外加因素產(chǎn)生位移而影響傳感元件因電聲效應產(chǎn)生的振動，二是將傳感元件表面接地，防止系統(tǒng)的雜散信號滲入到被測信號中；電極片32與電聲傳感元件2采用焊接式結構，解決信號耦合輸出，它可選用不同厚度電極片或通過電極片數(shù)量的增減，調(diào)節(jié)測試樣品安裝高度，擴大試樣應用范圍，降低試樣制備難度；選用耐高溫的屏蔽電纜作為輸出電纜33，既可輸出信號并能屏蔽雜散信號；為防止傳感元件輸出信號短路，特設計隔離室34，輸出電纜33與前置放大器5之間通過特殊連接接口，它耐高溫而又采用機械鎖緊方法連接。
由圖3可見，電聲信號傳感器殼體3放在加熱爐殼體4中的加熱爐內(nèi)，加熱爐由上隔板41、下隔板46、加熱爐蓋42、隔熱體43以及加熱爐芯44和電熱絲45構成。其中加熱爐上隔板41，系加熱爐的部件之一，起隔熱作用。目的是不影響掃描電聲顯微鏡系統(tǒng)正常工作，結構上開有喇叭形觀察窗，便于電子槍發(fā)射電子到被測試樣上；加熱爐蓋42和隔熱體43是由耐高溫而又隔熱性能良好的材料制成，如Si3N4、Al2O3、ZrO2等，阻隔熱源與外界接觸；電熱絲45穿過特殊設計加熱爐芯44采用縱向貼壁內(nèi)繞方式，既提高熱效率而又可簡化爐體隔熱結構，且發(fā)熱體放置需不影響電子束正常路徑；加熱爐下隔板46阻止熱量向下傳遞到樣品上影響電鏡工作；同時又是爐芯的安裝基板，爐芯放置在下隔板46上面，加熱爐的爐溫是通過測溫元件47測定的。
從圖1-圖3可見，本實用新型提供的電場和溫場可變的電聲信號探測器，具有結構緊湊特點，既使施加于被測樣品上的電場、溫場可變，而又考慮了電場和溫度的施加不對電聲顯微鏡系統(tǒng)的影響，真正實現(xiàn)了在溫場、電場改變時試樣的動態(tài)行為的觀察。
權利要求1．一種電場和溫場可變的電聲信號探測器，包括電聲信號傳感器、前置放大器，其特征在于(1)它由電聲信號傳感元件、電聲信號傳感器殼體、加熱爐殼體、前置放大器、溫度控制裝置和電場可變裝置構成。(2)電聲傳感器殼體將被測試樣與傳感元件合為一體，組成電聲信號傳感器單元結構；(3)加熱爐殼體內(nèi)部放置加熱爐，采用螺紋連接上下二部分，發(fā)熱體放置需不影響電子束正常路徑；電聲信號傳感器殼體放在加熱爐內(nèi)；(4)結構上采用內(nèi)置式的前置放大器，緊連電聲信號傳感元件；可裝于電聲顯微鏡筒內(nèi)；(5)溫度控制裝置選用波紋因素小的可變直流電源；(6)電場可變控制裝置采用頂針接觸式將電場施加于被測樣品上并采用縱向和橫向二種方式控制。
2．按權利要求1所述的探測器，其特征在于所述的電聲信號傳感器是由電聲傳感器蓋和屏蔽殼體組成。
3．按權利要求1所述的探測器，其特征在于所述的電聲傳感元件與電極片間采用焊接式結構，選用耐高溫屏蔽電纜作為輸出電纜，輸出電纜與前置放大器通過耐高溫機械鎖緊方式連接。
4．按權利要求1、2所述的探測器，其特征在于所述的電極片，可選用不同厚度電極片或通過電極片數(shù)量增減。
5．按權利要求1所述的探測器，其特征在于所述的加熱爐是由上、下隔板，加熱爐蓋，隔熱體以及加熱爐芯和發(fā)熱體構成。
6．按權利要求1所述的探測器，其特征在于在上隔板上開有喇叭形觀察窗，下隔板又是爐芯的安裝基板。
7．按權利要求1所述的探測器，其特征在于電熱絲穿過加熱爐芯，采用縱向貼壁內(nèi)繞方式。
8．按權利要求1所述的探測器，其特征在于加熱爐蓋是由耐高溫材料，如Si3N4、ZrO2、Al2O3制成的。
9．按權利要求1所述的探測器，其特征在于所述的加熱爐爐溫是通過測溫元件測定的。
專利摘要本實用新型涉及一種電場和溫場可變的電聲信號探測器,屬于功能材料和器件領域,本實用新型提供的電聲信號探測器是由電聲信號傳感器及前置放大器,可變電場控制裝置以及小型溫場可變的加熱爐及溫度控制裝置構成。本探測器具有結構緊湊特點,可在高真空電子槍內(nèi)工作,電場、溫場的可變,對電聲顯微鏡系統(tǒng)不產(chǎn)生影響,達到了動態(tài)觀察試樣的目的。
文檔編號G01N29/06GK2413284SQ00216648
公開日2001年1月3日 申請日期2000年3月1日 優(yōu)先權日2000年3月1日
發(fā)明者殷慶瑞, 惠森興 申請人:中國科學院上海硅酸鹽研究所