专利名称：基于角度测量的原子力显微镜测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于角度测量的原子力显微镜测量装置，属于原子力显微镜(AFM)的探针/悬臂梁信号的检测系统及装置。
背景技术：
当悬臂梁的端部受力时，其端部会产生两种变形，一种是挠度，另一种是转角。原子力显微镜利用微悬臂梁尖端的探针，当探针接近或接触被测物体表面时，探针与样品之间会发生力的相互作用，该作用力会使微悬臂梁产生弯曲变化，因此，微悬臂梁弯曲量的变化可以通过两种方式进行检测，即测量原子力显微镜的微悬臂梁的挠度变化，或者测量原子力显微镜的微悬臂梁的尖端转角变化。
目前以原子力显微镜为代表的通过检测微悬臂梁的弯曲变化得到被测物体表面信息的这一类仪器，均采用测量微悬臂梁的受力后的挠度变化，AFM探头(包括带有针尖的悬臂梁及其固定装置)的悬臂梁的固定端位置必须保持不变，AFM三维扫描驱动器必须在样品或探针的一侧，如美国Veeco公司的多功能原子力显微镜，日本精工的原子力显微镜等，通常三维微动机构都安装在被测物体一侧。当激光打到微悬臂梁上时，由于微悬臂梁挠度的变化，引起反射光的偏摆，使光电探测器上光点位置发生变化，通过检测光点位置的变化量，从而得到微悬臂梁的挠度变化量，进而得到测力变化量和物体表面轮廓。这种方法虽然结构上简单适于商业生产，但在此类显微镜的恒力模式下扫描过程中，由于探针固定端位置的改变，从而引入测量原理误差，要获得高精度的测量结果，必须进行误差修正或严格的校正。这种方法对被测物体的大小、重量及扫描范围等都有着比较严格的要求或限制，如10毫米×10毫米×1-2毫米。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于角度测量的原子力显微镜测量装置，特别是原子力显微镜类的微悬臂梁信号的检测系统及装置结构设计，扩大原子力显微镜应用范围。
本发明的目的是这样实现的基于角度测量的原子力显微镜测量装置，其特征在于原子力显微镜的悬臂梁位移测量装置采用光学差动式角度传感器，所述的角度测量装置包括准直光源、会聚透镜、1/4波片、偏光分光镜、分光镜、两个临界角棱镜、两个光电二极管、Z向跟踪用微动驱动器、平面内2维微动扫描器、探针夹持器和AFM探针；并且样品台及平面内2维微动扫描器与AFM探针及Z向跟踪用微动驱动器相分离，该距离可调。
本发明的优点在于Z向跟踪装置与XY平面内扫描装置相分离，降低了对被测物体的大小、重量及扫描范围等的要求或限制，被测物体可为十几厘米×十几厘米×几厘米。
图1为基于角度测量的AFM测量装置结构示意图。
图中1为Z向跟踪用微动驱动器PZT，2为AFM探针夹持器，3为AFM探针，4为样品台，5为平面内2维(XY)微动扫描平台，6为集成了会聚透镜的半导体激光器，7、9为光电二极管，8、10为临界角棱镜，11为集成了1/4波片的分光镜，12为集成了1/4波片的偏光分光镜。
具体实施例方式
基于角度测量的AFM测量方法，AFM探针在扫描过程中由于受力变化引起的悬臂梁尖端的角度变化，采用光学差动式角度测量装置(图1中虚线内部)进行检测，其过程是激光器6发出的可见光经会聚透镜后被偏光分光镜12反射后经1/4波片，入射到原子力显微镜的悬臂梁/AFM探针3反射面上，被AFM探针反射的激光携带悬臂梁的转角变化信息进入该角度测量装置；角度测量装置固定在可调转角平台上，该平台固定在系统基座上；在初始测力设定值时，可以认为角度测量装置输出信号为“零”；当扫描过程中测力发生变化时，悬臂梁的弯曲角度发生变化，反射光即相对于角度测量装置的入射光，其入射角度也产生相应的变化，该变化量为微悬臂梁角度变化量的一倍，使被测量得到放大。
由于采用差动测量方法，来自AFM探针的反射光被半透半反镜11分成两束光后，分别入射进两个棱镜8、10，当反射光的角度有偏摆时，两个棱镜的入射光的入射角分别增大/减小Δθ，反射率变化量也分别增大或减小，出射光的光强被光电二极管7、9检测并转换为光电流，两路光电流信号经过电流-电压变换以及加法、减法和除法运算后，得到线性化处理后的角度变化量，即该变化量被角度测量装置检测并转换成与角度变化值成比例的电信号。该电信号经放大后再经信号分析处理，得到由于测力变化而引起的悬臂梁的角度变化，进而得到探针的测力变化/物体表面形貌轮廓。
AFM在平面内的扫描由水平面内二维微动扫描平台5在计算机控制下进行，样品台4与该扫描平台结合在一起；AFM的Z向跟踪部分由反馈控制电路驱动Z向跟踪用微动驱动器1进行，探针经探针夹持架2与Z向驱动器结合在一起，即Z向运动由单独的驱动器进行，基于此结构，实现了Z向与XY向运动的分离。
权利要求
1.基于角度测量的原子力显微镜测量装置，其特征在于原子力显微镜的悬臂梁位移测量装置采用光学差动式角度传感器，所述的角度测量装置包括准直光源、会聚透镜、1/4波片、偏光分光镜、分光镜、两个临界角棱镜、两个光电二极管、Z向跟踪用微动驱动器、平面内2维微动扫描器、探针夹持器和AFM探针；并且样品台及平面内2维微动扫描器与AFM探针及Z向跟踪用微动驱动器相分离，该距离可调。
全文摘要
本发明公开了一种基于角度测量的原子力显微镜测量装置，属于原子力显微镜(AFM)的探针/悬臂梁信号的检测系统及装置。该装置是在原子力显微镜的悬臂梁位移测量装置上采用光学差动式角度传感器，所述的角度测量装置包括准直光源、会聚透镜、1/4波片、偏光分光镜、分光镜、两个临界角棱镜、两个光电二极管、Z向跟踪用微动驱动器、平面内2维微动扫描器、探针夹持器和AFM探针；并且样品台及平面内2维微动扫描器与AFM探针及Z向跟踪用微动驱动器相分离，该距离可调。本发明的优点在于Z向跟踪装置与XY平面内扫描装置相分离，降低了对被测物体的大小、重量及扫描范围等的要求或限制，被测物体可为十几厘米×十几厘米×几厘米。
文档编号G01B21/20GK1632519SQ20041009405
公开日2005年6月29日 申请日期2004年12月28日 优先权日2004年12月28日
发明者刘庆纲, 李志刚, 李德春, 匡登峰, 王璐, 李敏 申请人:天津大学