一种大范围原子力显微镜扫描定位系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种大范围原子力显微镜扫描定位系统。本发明中的被观测样品置于立方镜载物台的中心，AFM7自带的Z向扫描器完成Z轴方向控制运动并实现原子力反馈；立方镜载物台的位移测量采用X轴外差激光干涉仪和Y轴外差激光干涉仪；XY平面扫描器的运动与AFM的同步采集采用同步脉冲触发器，同步扫描触发器的脉冲信号来自XY平面扫描器的编码器和高频相移电路；XY平面扫描器每次动作时，同步脉冲触发器通过计算机向AFM的数据采集卡发送中断脉冲，用于采集Z轴位置信号。本发明压电陶瓷采用锁相环回路步进驱动，从测量和驱动方法上克服了压电陶瓷自身非线性和蠕变等机械缺陷，从而解决了AFM扫描图像畸变的问题。
【专利说明】
一种大范围原子力显微镜扫描定位系统
技术领域
[0001] 本发明涉及显微设备技术领域，特别是涉及一种大范围原子力显微镜(AFM)扫描 定位系统。
【背景技术】
[0002] 原子力显微镜(AFM)具有空间分辨率高、不受样品导电性限制、可同时支持在大气 与液相环境中观测样品，从而使其广泛应用于化学、材料、物理、生物等纳米相关科学领域 等特点。但现有商用AFM的主要局限在于一是扫描范围比较小，一般在几百纳米到数个微米 的尺寸内；二是扫描速度较慢，成像效率低。当今的相关应用领域，对AFM的性能提出了更高 的要求，如生物技术中针对生命活动的在位成像，半导体行业中实现半导体材料样品结构 的测量，都需要百微米级甚至是毫米级大范围尺寸高速成像。开发大扫描范围的高速AFM是 各国争相研究的热点。
[0003] 目前，国内外的大行程(毫米级量程)纳米精度扫描定位系统均已实现毫米行程的 纳米精度定位，但局限性主要在于扫描速率低，图像的可再现性差。并且，现有的毫米行程 扫描定位系统多采用宏微二级定位，宏运动采用伺服电机或步进电机实现大行程高速运 动，微运动采用压电陶瓷致动器。申请公布号CN103941044A公布了一种原子力显微镜跨尺 度高精度进样机构，采用丝杠螺母结构和压电陶瓷相结合，可在微米测量范围内实现亚微 米的定位精度。申请公布号CN102788889A公布了一种原子力显微镜的进针方法，采用步进 电机的粗运动和压电陶瓷的细运动相结合，实现快速无损进针。现有AFM的主要问题有:一 是压电陶瓷的迟滞、非线性等机械缺陷影响了定位运动的重复性精度。如果不加补偿，现有 的定位扫描平台很难突破l〇〇nm的定位精度极限。二是系统复杂，宏微切换控制难度大，整 体系统的动态性能不理想，带宽低。
【发明内容】
[0004] 为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种大范围原子力显微镜扫描定位 系统。
[0005] 本发明所采用的技术方案如下：
[0006] 本发明由XY平面扫描器、立方镜载物台，X轴外差激光干涉仪、Y轴外差激光干涉 仪、AFM针尖、AFM、高频相移电路、同步脉冲触发控制器、计算机组成。
[0007] 上述各部分的连接关系如下：
[0008] 被观测样品置于立方镜载物台的中心，AFM自带的Z向扫描器完成Z轴方向控制运 动并实现原子力反馈。立方镜的位移测量采用X轴外差激光干涉仪和Y轴外差激光干涉仪。 XY平面扫描器的运动与AFM的同步采集采用同步脉冲触发器，同步扫描触发器的脉冲信号 来自X轴机械运动台和Y轴机械运动台的编码器和高频相移电路。XY平面扫描器每次动作 时，同步脉冲触发器通过PC机向AFM的数据采集卡发送中断脉冲，用于采集Z轴位置信号。
[0009] 所述的XY平面扫描器由X轴机械运动台、Y轴机械运动台、调节架、XY压电陶瓷组 成。X轴机械运动台正交叠加在Y轴机械运动台上，构成宏动台，XY压电陶瓷通过调节架固定 在X轴机械运动台上，立方镜载物台安装于XY压电陶瓷上。
[0010] 所述的压电陶瓷采用锁相回路步进驱动，该锁相回路由激光外差干涉仪、压电陶 瓷、高频相移电路、伺服系统构成，借助于多普勒效应，压电陶瓷被步进驱动且步长值可控。
[0011] 所述的XY平面扫描器采用宏微双伺服环控制。运动控制模式有两种:一是自由模 式，即宏动台与压电陶瓷伺服环独立闭环控制，大行程位移由宏动台完成而压电陶瓷不执 行，当靠近目标时(依据所选取的阈值），压电陶瓷动作，压电陶瓷执行纳米步长的步进位移 逐步逼近目标。这样，压电陶瓷仅在目标位置补偿了宏动台的位移缺陷。该位置控制模式适 用于点位运动。二是轨迹跟踪模式，在该模式下，所有的执行器同时动作。在整个位移过程 中，高频相移电路不断产生相移信号，即压电陶瓷始终执行纳米步长位移来补偿宏动台的 缺陷直至到达目标位置。这种位置控制方法适用于连续运动。
[0012] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0013] 1.本发明提出了一种新的AFM毫米行程XY平面扫描器，扫描器采用X轴和Y轴宏动 台叠加，微动台置于X轴、Y轴的中心点，以及宏微机构间设置多自由度机械调节机构的设计 克服了常见大行程运动台受阿贝误差的影响较大的缺点；构建的AFM扫描定位系统X、Y向的 扫描与AFM Z向的反馈控制分离开来，避免了AFM扫描过程产生的XY平面与Z向的非线性交 叉耦合误差。
[0014] 2.压电陶瓷采用锁相环回路步进驱动，从测量和驱动方法上克服了压电陶瓷自身 非线性和蠕变等机械缺陷，从而解决了AFM扫描图像畸变的问题；
[0015] 3.本发明采用以高频信号电路驱动的高频响压电陶瓷去补偿宏动台的误差，提高 了定位速度，避免了常用宏微二级控制的复杂算法导致的定位速度下降。
【附图说明】
[0016] 图1是本发明的扫描定位系统整体结构示意图。
[0017] 图2是本发明的XY平面扫描器结构示意图。
[0018] 图3是本发明的XY平面扫描器运动控制原理框图。
【具体实施方式】
[0019] 下面结合附图对本发明进一步说明。
[0020] 针对压电陶瓷存在迟滞、蠕变和位移非线性等不足的特点，本发明采用锁相回路 步进驱动压电陶瓷，由于测量与控制的均是光电相移信号，定位精度不受压电陶瓷迟滞、蠕 变和位移非线性等机械缺陷的影响。针对宏、微定位系统的复杂控制，本发明一是拟采用阈 值设定法，用软件完成宏微切换，实现两点或多点间的扫描定位;二是宏动台、微动台用同 步脉冲触发方式实现宏微联动，以纳米级步长值驱动的压电陶瓷来实施补偿宏动台的运动 误差。两种定位方法的运用可满足于多程、多轨迹扫描定位的需求。
[0021] 本发明的扫描定位系统整体结构示意图如图1所示，包括由XY平面扫描器1、立方 镜载物台2，X轴外差激光干涉仪4、Y轴外差激光干涉仪5、AFM针尖6、AFM7、高频相移电路8、 同步脉冲触发控制器9、计算机10。被观测样品4置于立方镜载物台的中心，XY平面扫描器带 动被检样品的XY平面运动，AFM自带的Z向扫描器完成Z轴方向控制运动并实现原子力反馈。 XY平面扫描器的位移测量采用稳频激光双程外差干涉仪，分为X轴干涉仪和Y轴干涉仪。平 面扫描器的运动与AFM的同步采集采用同步脉冲触发控制器。同步脉冲触发控制器的脉冲 信号来自XY平面扫描器的直线电机光编码器和高频相移电路。平面扫描器每次动作时，同 步脉冲触发控制器通过PC机向AFM的数据采集卡发送中断脉冲，以用于采集Z轴位置信号。
[0022]本发明的XY平面扫描器的结构如图2所示，XY平面扫描器拟用宏微二级结构，宏动 台由X轴机械运动台1-2和和Y轴机械运动台1-1组成，X轴机械运动台和和Y轴机械运动台互 相正交。微动台采用平面压电陶瓷1-6,压电陶瓷在15wii的行程上具有亚纳米精度的分辨 率，两轴的最高截止频率均为2.5KHz。立方镜载物台安装于压电陶瓷上。两个倾斜度可调的 机械调节架1 -3、1 -4和可旋转支架1 -5固定于X轴机械运动台上，调整机械调节架1 -3、1 -4和 可旋转支架1-5使干涉仪测量光轴、直线电机机械轴、压电陶瓷机械轴精密对齐（按 N.Boroff的纳米干涉测量要求，角度误差不确定度应低于5弧度秒），其目的是使定位过程 中俯仰角、滚摆角及摇摆角对测量精度的影响最小化。本发明所述的X轴机械运动台和Y轴 机械的剩余直线度可通过闭环锁定控制的XY平面压电陶瓷来进行补偿。运动台为商用气浮 静压导轨，由直线电机驱动，X轴机械运动台和Y轴机械运动台自带PID反馈控制，内置分辨 率为5nm的直线电机编码器，最大行程为50mm，最大位移速度为300mm/s，直线性和平面度为 0?5um〇
[0023]本发明的XY平面扫描器运动控制原理框图如图3所示。XY平面扫描器的宏微控制 为双伺服环控制，包括直线电机宏动台伺服环和压电陶瓷微动台伺服环，大行程位移采用 两种位置控制方法:一是自由模式，即宏动台与压电陶瓷伺服环独立闭环控制，大行程位移 由宏动台完成而压电陶瓷不执行，当靠近目标时(依据所选取的阈值），压电陶瓷动作，压电 陶瓷执行纳米步长的步进位移逐步逼近目标。这样，压电陶瓷仅在目标位置补偿了宏动台 的位移缺陷。该位置控制方法适用于点位运动。二是轨迹跟踪模式，在该模式下，所有的执 行器同时动作。在整个位移过程中，高频相移电路不断产生相移信号，即压电陶瓷始终执行 纳米步长位移来补偿宏动台的缺陷直至到达目标位置。这种位置控制方法适用于连续运 动。本发明所述的宏动台由X轴机械运动台和Y轴机械运动台组成。
[0024]本发明的压电陶瓷采用锁相环电路步进驱动。以X轴向运动为例，X轴干涉仪、压电 陶瓷、高频相移电路、X轴伺服系统11-2构成锁相回路，借助于多普勒效应，压电陶瓷被步进 驱动，步长值为：
[0026]公式(1)中A为激光波长，为高频相移电路产生的相移量值。
[0027]由此，压电陶瓷步长值可控。Y轴向运动原理与X轴向相同，Y轴干涉仪、压电陶瓷、 高频相移电路、X轴伺服系统11-1构成锁相回路。由此，压电陶瓷可以在XY平面以量化的步 长值步进驱动。本发明所述的高频相移电路能产生与干涉仪同频率的相移信号。
[0028]不同于传统的之字形轨迹扫描模式，基于本发明的原子力显微镜可采用的扫描模 式主要有:A)线线模式，该模式下宏动台做毫米行程运动，压电陶瓷只对该电机运动的直线 度进行修正，而对宏动台运动方向的位移误差不做补偿。如起始位置位于XY平面的(0:0)位 置，X轴机械运动台沿着X轴向运动，此时压电陶瓷只补偿Y轴向的直线度，不做X轴向运动的 位置精密补偿。当一行完成时，定位系统将样品台置于与前一行平行的第二行，如此往返， 直到覆盖整个图像扫描区域为止。B)矩阵模式，在该模式下，首先由宏动台完成微米行程上 的初始矩阵扫描，一旦首次扫描完成，压电陶瓷动作将样品放置于紧邻初次图像的起始位 置，宏动台完成几次相邻矩阵的扫描直到扫描结束;C)轨迹追踪模式，在该模式下，宏动台 执行长行程的过程中，压电陶瓷在X轴和Y轴始终执行纳米级步长来补偿宏动台的缺陷。这 样，X轴和Y轴上的位移精度和直线度同时得到了保证。
【主权项】
1. 一种大范围原子力显微镜扫描定位系统，其特征在于该扫描定位系统由XY平面扫描 器、立方镜载物台，X轴外差激光干涉仪、Υ轴外差激光干涉仪、AFM针尖、AFM、高频相移电路、 同步脉冲触发控制器、计算机组成； 被观测样品置于立方镜载物台的中心，AFM自带的Ζ向扫描器完成Ζ轴方向控制运动并 实现原子力反馈;立方镜载物台的位移测量采用X轴外差激光干涉仪和Υ轴外差激光干涉 仪;ΧΥ平面扫描器的运动与AFM的同步采集采用同步脉冲触发器，同步扫描触发器的脉冲信 号来自ΧΥ平面扫描器的编码器和高频相移电路;ΧΥ平面扫描器每次动作时，同步脉冲触发 器通过计算机向AFM的数据采集卡发送中断脉冲，用于采集Ζ轴位置信号。2. 根据权利要求1所述的一种大范围原子力显微镜扫描定位系统，其特征在于:所述的 ΧΥ平面扫描器由X轴机械运动台、Υ轴机械运动台、调节架、ΧΥ压电陶瓷组成;X轴机械运动台 正交叠加在Υ轴机械运动台上，构成宏动台，ΧΥ压电陶瓷通过调节架固定在X轴机械运动台 上，立方镜载物台安装于ΧΥ压电陶瓷上。3. 根据权利要求1所述的一种大范围原子力显微镜扫描定位系统，其特征在于:所述的 压电陶瓷采用锁相回路步进驱动；该锁相回路由外差激光干涉仪、压电陶瓷、高频相移电 路、伺服系统构成，借助于多普勒效应，压电陶瓷被步进驱动且步长值可控。4. 根据权利要求2所述一种大范围原子力显微镜扫描定位系统，其特征在于:所述的X-Υ平面扫描器采用宏微双伺服环控制;运动控制模式有两种:一是自由模式，即宏动台与压 电陶瓷伺服环独立闭环控制，大行程位移由宏动台完成而压电陶瓷不执行，当靠近目标时， 压电陶瓷动作，压电陶瓷执行纳米步长的步进位移逐步逼近目标;这样，压电陶瓷仅在目标 位置补偿了宏动台的位移缺陷；二是轨迹跟踪模式，在该模式下，所有的执行器同时动作； 在整个位移过程中，高频相移电路不断产生相移信号，即压电陶瓷始终执行纳米步长位移 来补偿宏动台的缺陷直至到达目标位置。
【文档编号】G01Q60/24GK106053886SQ201610601352
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月28日 公开号201610601352.1, CN 106053886 A, CN 106053886A, CN 201610601352, CN-A-106053886, CN106053886 A, CN106053886A, CN201610601352, CN201610601352.1
【发明人】许素安, 金玮, 黄艳岩, 富雅琼, 谢航杰
【申请人】中国计量大学