双端音叉扫描探针测头系统及其测量方法
【专利摘要】本发明公开了一种双端音叉扫描探针测头系统及其测量方法，由刚性支承、双端音叉和钨探针构成。刚性支承为整个扫描探针测头系统的刚性支承件，用于固定整个测头机构，并对双端音叉的一个叉端形成全约束。双端音叉的一个叉端连接于刚性支承底面，另一叉端作为自由端且下方底面正中间固定设置大长径比钨探针。本发明方法采用四周分割法在放置电极，激励双端音叉两个叉臂沿厚度方向反相弯曲振动。设置钨探针在竖直Z方向上以接触模式与试样碰触，检测叉臂谐振信号的变化以表征所述钨探针尖端与试样表面的碰触程度。本发明可用于对软材料等表面的高分辨率、非破坏性测量，并可用于对微沟槽、微台阶等具有大深宽比微器件的表面形貌扫描。
【专利说明】双端音叉扫描探针测头系统及其测量方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及微纳米测头领域，具体是一种双端音叉扫描探针测头系统及其测量方法。
【背景技术】
[0002]纳米器件、生物材料等的特征尺寸及物理特性要求表面形貌测量不仅要具有纳米量级的测量分辨率，还要求测量力尽可能小。以原子力显微镜(AFM)等为代表的扫描探针显微镜(SPM)具有纳米级解析度，是目前广泛应用于微观尺度表面形貌测量的高分辨率仪器。但测头的探针有效长度仅数微米，不适合大深宽比微台阶、微沟槽等微结构表面的测量。因此为了解决这个问题，还要求扫描测头探针的典型尺寸具有较大的有效长度。
[0003]高分辨率对应于高灵敏度，即要求微纳米测头系统应具有较高品质因数，同时测头系统的稳定性，包括结构稳定性和测量过程稳定性，是实现有效测量的必要因素。现有微纳米测头一般有接触式测头和非接触式测头。二者在各自测量领域各有优点，但受限于自身结构或物理特性又各有不足。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种双端音叉扫描探针测头系统及其测量方法，以解决现有技术存在的问题。
[0005]为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为:
[0006]双端音叉扫描探针测头系统，其特征在于:包括有刚性支承和双端音叉，所述双端音叉由两个叉端和连接两个叉端的叉臂对构成，双端音叉的一个叉端连接在刚性支承底面，另一各叉端为自由端；叉臂对中两个叉臂分别垂直于刚性支承底面并沿竖向并行设置；双端音叉的自由端下方底面正中间固定有钨探针。
[0007]所述的双端音叉扫描探针测头系统，其特征在于:所述双端音叉的叉臂对四周设置有电极，通过电极激励双端音叉谐振。
[0008]所述的双端音叉扫描探针测头系统，其特征在于:双端音叉的振动方式为，在电极的激励下两个叉臂沿厚度方向反相弯曲振动。
[0009]所述的双端音叉扫描探针测头系统，其特征在于:双端音叉由石英晶体制备，切型选择与振动模式及工作频率相关，弯曲振动模式下XY切型对应频率范围I?80KHZ，NT切型对应频率范围40?IOOKHz ;所述双端音叉选择XY切型、5°切角，且叉臂长度沿石英晶体y轴方向，宽度沿石英晶体z方向，厚度沿石英晶体X轴方向，即采用(xyt)5°切型切角结构。
[0010]所述的双端音叉扫描探针测头系统，其特征在于:双端音叉的谐振频率与其几何尺寸相关，即可通过改变叉臂的长度、宽度、厚度调节双端音叉的谐振频率及力频系数，所述双端音叉谐振频率以及力频系数与其几何尺寸的相关关系式分别为:
【权利要求】
1.双端音叉扫描探针测头系统，其特征在于:包括有刚性支承和双端音叉，所述双端音叉由两个叉端和连接两个叉端的叉臂对构成，双端音叉的一个叉端连接在刚性支承底面，另一个叉端为自由端；叉臂对中两个叉臂分别垂直于刚性支承底面并沿竖向并行设置；双端音叉的自由端下方底面正中间固定有钨探针。
2.根据权利要求1所述的双端音叉扫描探针测头系统，其特征在于:所述双端音叉的叉臂对四周设置有电极，通过电极激励双端音叉谐振。
3.根据权利要求1所述的双端音叉扫描探针测头系统，其特征在于:双端音叉的振动方式为，在电极的激励下两各叉臂沿厚度方向反相弯曲振动。
4.根据权利要求1所述的双端音叉扫描探针测头系统，其特征在于:双端音叉由石英晶体制备，切型选择与振动模式及工作频率相关，弯曲振动模式下XY切型对应频率范围I~80KHz，NT切型对应频率范围40~10KHz ;所述双端音叉选择XY切型、5°切角，且叉臂长度沿石英晶体I轴方向，宽度沿石英晶体z方向，厚度沿石英晶体X轴方向，即采用(xyt)5°切型切角结构。
5.根据权利要求1所述的双端音叉扫描探针测头系统，其特征在于:双端音叉的谐振频率与其几何尺寸相关，即可通过改变叉臂的长度、宽度、厚度调节双端音叉的谐振频率及力频系数，所述双端音叉谐振频率以及力频系数与其几何尺寸的相关关系式分别为:
6.根据权利要求1所述的双端音叉扫描探针测头系统，其特征在于:双端音叉两个叉臂上电极的设置采用叉臂四周分割法布置电极方式，使沿叉臂长度方向的电极在叉臂主面和侧面上的零应力点波节处改变极性。
7.一种基于权利要求1所述双端音叉扫描探针测头系统的扫描测量方法，其特征在于:通过叉臂四周分割法布置电极，激励双端音叉两个叉臂沿厚度方向反相弯曲振动；设置所述双端音叉自由端底面固定设置的钨探针在竖直Z方向上以接触模式与试样碰触，检测双端音叉谐振信号的变化以表征所述钨探针尖端与试样表面的碰触程度。
8.根据权利要求7所述的扫描测量方法，其特征在于:所述双端音叉对轴向力极为敏感，故双端音叉扫描探针测头系统在Z向具有极高灵敏度。
9.根据权利要求7所述的扫描测量方法，其特征在于:所述谐振信号为双端音叉的谐振频率或谐振相位。
10.根据权利要求7所述的扫描测量方法，其特征在于:采用钨探针与试样表面间歇接触的逐点扫描测量方法，或钨探针与试样表面持续接触的逐行扫描测量方法。
【文档编号】G01Q70/00GK104020317SQ201410261914
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年6月12日 优先权日:2014年6月12日
【发明者】余惠娟, 黄强先, 韩彬, 胡小娟, 张蕤 申请人:合肥工业大学