专利名称：双元原子力显微镜检测头的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种原子力显微镜检测头，用于微/纳米材料和器件的纳米检测及计量，尤其涉及一种双元原子力显微镜检测头。
背景技术：
随着扫描隧道显微镜的发明，在人类科学研究领域中诞生了一门以0.1～100纳米长度为研究对象的前沿科技，这就是纳米科技。目前，世界很多国家都在兴起对纳米技术的研究。以扫描隧道显微镜(STM)与原子力显微镜(AFM)为代表的扫描探针显微镜(SPM)技术和纳米检测技术，以空前的分辨率为人类揭示了一个可见的原子、分子世界，为纳米技术的发展奠定了重要基础。而在SPM家族中，又以AFM的应用领域更为广泛，因为大多数纳米材料均为非导体样品。现在，国际上AFM仪器的应用较为普及，但大多数只能用于定性分析，而可以用于计量用的双元STM(DIU-STM)的使用又极大的受限于被测样品的电导率，且因这类仪器的昂贵价格、严格的操作要求，以及对某些关键进口部件的依赖，很大程度上制约了我国纳米科技的发展普及。为此我们开发了双元原子力显微镜(DIU-AFM)，以解决这一问题，并根据国情尽可能提高仪器的性能/价格比。近年来，我们在STM和AFM的研制及实用化方面做了大量的工作。特别是在AFM的研究中形成了自身的特色，先后开发出了卧式、液相和双元原子力显微镜，仪器的性能/价格比具有明显的优势，已经在国内科研院所的物理学、化学、材料学、生物学、微电子学、微型机械和光电子学等领域得到广泛应用，为促进我国纳米技术的发展和普及作出了贡献。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种双元原子力显微镜检测头。
它具有激光器、位置敏感元件(PSD)、半透半反射镜、微悬臂探针和Z向压电陶瓷组成的光电检测与反馈参考单元和测量单元以及由XY压电陶瓷、样品台、参考样品和待测样品组成的扫描控制系统。
本实用新型的双元原子力显微镜检测头，组合了两个光电检测与反馈单元，其中一个作为参考单元，另一个作为测量单元。两个单元的Z方向的压电陶瓷上分别固定探针，陶瓷水平并且平行的置于同一高度，以减小阿贝误差。将参考样品和待测样品固定于同一个XY扫描台上，利用针尖与样品之间的微弱原子力，使微悬臂产生偏转，通过光电检测方法检测偏转量的大小，从而在针尖与样品作相对扫描的过程中获取参考样品和待测样品表面的三维纳米结构形貌。这样得到的两幅图具有相同的横向尺度，因此，待测样品图中任意两点的距离，可以通过计算与之相对应的参考样品的周期数得到。我们设计的双元原子力显微镜可以很好的消除压电陶瓷的非线性和滞后效应带来的扫描误差且不受样品导电性能的影响，最大测量范围达到5μm。使用不同的参考样品，双元原子力显微镜能够实现对任何电导率样品的纳米和亚微米精度的长度计量，可望在众多科技与工业领域得到广泛应用。
图1是双元原子力显微镜的工作原理示意图；图2是双元原子力显微镜的计量示意图；图3是I型双元原子力显微镜检测头的结构示意图；图4是II型双元原子力显微镜检测头的结构示意图。
具体实施方式
原子力显微镜的核心部件是由扫描与反馈控制器和光电检测系统组成的探头，它直接影响原子力显微镜的检测分辨率、检测精度、扫描范围及信噪比等性能。本实用新型的目的，在于发明一种双元原子力显微镜检测头，使原子力显微镜系统获得更好的纳米计量及检测性能。
如图1所示，本实用新型的双元原子力显微镜检测头，包括由激光器、位置敏感元件(PSD)、半透半反射镜、微悬臂探针和Z向压电陶瓷组成的光电检测与反馈参考单元1和测量单元2以及由XY压电陶瓷、样品台、参考样品和待测样品组成的扫描控制系统3三大部分。参考单元与测量单元的工作原理是一样的，均采用对微弱力极其敏感的微悬臂作为力传感器——微探针。微悬臂一端固定，另一端置有一与微悬臂平面垂直的金字塔状微针尖。当针尖与样品之间的距离逼近到一定程度时，两者间将产生相互作用的原子力，推动微悬臂偏转。微悬臂的偏转量十分微小，无法进行直接检测，需要采用光束偏转法进行间接测量。其原理是，一束激光投射到微悬臂的外端后被反射，反射光束被位置敏感元件接收。显然，位置敏感元件光敏面上的光斑的偏转位移量，与微悬臂的偏转量成正比，但前者比后者放大了一千至数千倍，放大后的位移量可以直接通过检测位置敏感元件的输出光电流的大小而精确测定。由于原子力的大小与针尖——样品间距成一定的对应关系，即与样品表面的起伏具有对应关系。当样品相对于针尖作横向扫描时，作用于针尖上的原子力随样品表面的起伏而变化，检测位置敏感元件输出光电流的大小，即可推知微悬臂偏转量(对应于原子力)的大小，最终获得样品表面的纳米级微观形貌。
样品相对于针尖的横向扫描，由X和Y轴压电陶瓷实现。当在压电陶瓷的电极上施加正负电压时，压电陶瓷将在轴向作伸缩。由计算机产生的具有一定频率、幅值和波形的扫描电压信号，经过计算机接口输出，并经XY扫描电路放大后，施加到X和Y轴压电陶瓷上，使压电陶瓷作伸缩运动，从而使样品随样品台在横向作扫描运动。
另一方面，针尖与样品之间在Z向(图中水平方向)也需要保持一定的距离。距离太远时，针尖与样品之间没有原子力作用；距离太近时，针尖可能被折断。采用了Z向反馈控制电路使针尖与样品之间保持适当距离。Z向反馈控制电路根据微悬臂偏转量的大小，调整施加在Z轴压电陶瓷上的电压大小。当针尖与样品间距离较远时，施加正电压使此压电陶瓷伸长，即让样品适当靠近针尖，反之则使压电陶瓷收缩，从而始终将针尖与样品控制在适当距离。
如图2所示，位置敏感元件输出的光电流信号(对应于样品的表面形貌信息)，经过信号检测与处理电路的放大处理后，通过计算机接口输入到计算机，由此绘制出样品表面的三维微观形貌。这样得到的两幅图具有相同的横向尺度，因此，待测样品图中任意两点a、b之间的距离(图2(b))，可以通过计算与之相对应的参考样品的周期数得到(图2(a))。
如图3所示，双元检测头由激光器、位置敏感元件(PSD)、半透半反射镜、微悬臂探针和Z向压电陶瓷组成的光电检测与反馈参考单元1和测量单元2以及由XY压电陶瓷、样品台、参考样品和待测样品组成的扫描控制系统3三大部分组成。光电检测与反馈参考单元1包括移动平台4，激光器5，位置敏感元件6，半透半反射镜7，含针尖微悬臂8，探针座9，固定块10及Z向压电陶瓷11。光电检测与反馈测试单元2同样包括移动平台12，激光器13，位置敏感元件14，半透半反射镜15，含针尖微悬臂16，探针座17，固定块18及Z向压电陶瓷19。以上这些元器件分别固定安装在两个移动平台上。扫描控制系统3包括X轴压电陶瓷20，Y轴压电陶瓷21，样品台22，参考样品23及待测样品24。X、Y轴压电陶瓷二者互相垂直，它们的一端均与样品台粘合，另一端分别固定，参考样品与待测样品粘合固定在样品台上。激光器发射的激光束从微悬臂的外端反射后，投射到位置敏感元件的光敏面上，位置敏感元件输出一个与反射光斑在光敏面上的位置相对应的光电流信号。调节移动平台4、12可使光电检测与反馈单元1、2向扫描控制系统3移动，也就是可使微悬臂与针尖向样品表面逼近。当微悬臂与针尖向样品表面逼近到一定距离时，两者之间将产生微弱的原子力(沿图3中水平方向)，推动微悬臂作微量偏转。由于从微悬臂到位置敏感元件的光路长度(约7.5厘米)远远大于微悬臂的长度(100μm或200μm)，根据杠杆原理，在位置敏感元件的光敏面上的光斑偏移量将是微悬臂偏转量的数千倍，因此可检测到可观的输出光电流变化。当控制X和Y轴压电陶瓷作伸缩运动，即控制样品相对于针尖作XY扫描运动时，位置敏感元件的输出光电流大小随样品表面的起伏而变化，利用图1所示的信号检测与处理电路检测记录光电流的变化，通过计算机系统即可分别绘制出参考样品表面和待测样品表面的三维纳米结构形貌。因两幅图具有完全相同的横向尺度，因此，待测样品图中任意两点之间的距离可以通过计算与之相对应的参考样品的周期数得到，从而达到纳米计量的目的。
原子力显微镜的I型双元检测头，将扫描控制器和光电检测与反馈系统设计成卧式结构，使原子力方向与微悬臂及针尖的重力方向垂直，从而避免了两种微弱力之间的相互干扰，提高了原子力的作用效率和精度。同时，在该型检测头中，两个单元的Z方向的压电陶瓷上分别固定探针，两陶瓷水平并平行地置于同一高度，阿贝误差小，且悬臂与针尖、光电检测系统等以水平排列的方式展现在操作者眼前，易于探头的操作，特别是易于对针尖——样品间距的监控，因此具有更好的可操作性。
如图4所示，光电检测与反馈参考单元1包括移动平台4，激光器5，位置敏感元件6，半透半反射镜7，含针尖微悬臂8，探针座9，固定块10及Z向压电陶瓷11。光电检测与反馈测试单元2同样包括移动平台12，激光器13，位置敏感元件14，半透半反射镜15，含针尖微悬臂16，探针座17，固定块18及Z向压电陶瓷19。扫描控制器3由管状压电陶瓷25，固定块26，基座27，样品台22，参考样品23及待测样品24组成。管状压电陶瓷外表面和内表面均镀有金属电极，外表面沿长度方向均匀分割成四等分，每一等分为一个电极，依次为X+、Y+、X-、Y-电极。在X+和X-电极上分别施加正电压和负电压，可使样品沿X轴正方向作扫描运动，反之，在X+和X-电极上分别施加负电压和正电压，则使样品沿X轴负方向作扫描运动；同样，在Y+和Y-电极上分别施加正电压和负电压，可使样品沿Y轴正方向作扫描运动，反之则使样品沿Y轴负方向作扫描运动。图3所示的原子力显微镜的II型双元检测头，其工作原理与I型双元检测头相同，只是实现XY扫描的压电陶瓷采用管状压电陶瓷。II型卧式检测头也具备I型双元检测头的主要特点，而且，由于采用了管状压电陶瓷，使扫描控制器结构更简洁，易于检测头小型化。
权利要求1.一种双元原子力显微镜检测头，其特征在于它具有激光器、位置敏感元件(PSD)、半透半反射镜、微悬臂探针和Z向压电陶瓷组成的光电检测与反馈参考单元(1)和测量单元(2)以及由XY压电陶瓷、样品台、参考样品和待测样品组成的扫描控制系统(3)。
2.根据权利要求1所述的一种双元原子力显微镜检测头，其特征在于所说的光电检测与反馈参考单元(1)具有移动平台(4)、激光器(5)、位置敏感元件(6)、半透半反射镜(7)、含针尖微悬臂(8)、探针座(9)、固定块(10)及Z向压电陶瓷(11)。
3.根据权利要求1所述的一种双元原子力显微镜检测头，其特征在于所说的光电检测与反馈测试单元(2)具有移动平台(12)、激光器(13)、位置敏感元件(14)、半透半反射镜(15)、含针尖微悬臂(16)、探针座(17)、固定块(18)及Z向压电陶瓷(19)。
4.根据权利要求1所述的一种双元原子力显微镜检测头，其特征在于所说的扫描控制系统(3)具有X轴压电陶瓷(20)、Y轴压电陶瓷(21)、样品台(22)、参考样品(23)及待测样品(24)，X、Y轴压电陶瓷二者互相垂直，它们的一端均与样品台粘合，另一端分别固定，参考样品与待测样品粘合固定在样品台上。
5.根据权利要求1所述的一种双元原子力显微镜检测头，其特征在于所说的扫描控制系统(3)具有管状压电陶瓷(25)、固定块(26)、基座(27)、样品台(22)、，参考样品(23)及待测样品(24)。
专利摘要本实用新型公开了一种双元原子力显微镜检测头。它具有激光器、位置敏感元件(PSD)、半透半反射镜、微悬臂探针和Z向压电陶瓷组成的光电检测与反馈参考单元和测量单元以及由XY压电陶瓷、样品台、参考样品和待测样品组成的扫描控制系统。本实用新型的双元原子力显微镜检测头可以很好的消除压电陶瓷的非线性和滞后效应带来的扫描误差且不受样品导电性能的影响，最大测量范围达到5μm。使用不同的参考样品，双元原子力显微镜能够实现对任何电导率样品的纳米和亚微米精度的长度计量，可望在众多科技与工业领域得到广泛应用。
文档编号G12B21/08GK2617004SQ03230939
公开日2004年5月19日 申请日期2003年4月29日 优先权日2003年4月29日
发明者章海军, 林晓峰, 张冬仙 申请人:浙江大学