专利名称：用于扫描探针显微镜并且带动探针扫描的扫描器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于扫描探针显微镜并且带动探针扫描的扫描器。
背景技术：
扫描探针显微镜由扫描探针显微镜头和控制系统组成。而扫描探针显微镜头由扫描器，激光器和悬臂梁弯曲探测系统等组成。其基本原理是将一个对微弱力极敏感的100到200微米长的微悬臂一端固定，另一自由端有一个几个微米长、直径小于10nm的微小的针尖，针尖与样品表面相对逼近时，由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的原子间力(也叫范德华力)，使得微悬臂先是由于吸引力向下弯曲后是排斥力向上弯曲。在扫描时控制这种力的恒定，微悬臂将沿针尖与样品表面原子间作用力做等位面运动。利用光学检测法或隧道电流检测法，可测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品表面形貌的信息。
扫描探针显微镜根据扫描实施的方式可分为扫描器带动扫描探针在被测样品上扫描(简称为上扫描)，用以区别于扫描器带动被测样品扫描而扫描探针不动的扫描方式(简称为下扫描方式)。对上扫描方式最重要的是激光光点能保持在原子力探针的背面的同一位置上不动或变动很小，并能跟踪上悬臂梁探针随着扫描器在控制电压下运动扫描被测样品表面。美国DI和美国MI公司公开的系列SPM扫描头为半跟踪设计模式，其采用一个四象限分割电极压电陶瓷管作为x-y方向扫描管，采用另一个全电极的压电陶瓷管作为z向扫描管，一个会聚透镜安装在x-y压电扫描管的上方，用于把激光器发出的发散激光束会聚成像，把另一个会聚物镜安装在两个扫描管之间连接处，既起部分光学跟踪作用又与会聚透镜一起把激光器发出的发散激光束会聚成像在悬臂梁探针的背面。但是单一物镜跟踪的范围实在是有限，使得激光光束未能完全跟踪上探针而引起的残余误差较大，况且由于两个压电陶瓷管都伸缩，把散发的激光光束成像在悬臂梁探针背面所需要的两个光学成像物镜之间的相对位置是不固定的，将多个光学成像物镜安装在一个扫描管的内部结构很复杂、调整困难。
发明内容
本发明的目的是提供一种扫描范围远大于压电陶瓷管本身在x和y方向扫描范围、光学跟踪和成像系统简单、用于扫描探针显微镜并且带动探针扫描的扫描器。本发明的技术解决方案是包括把X-Y-Z一体的四象限分割电极的压电陶瓷扫描管一端固定于壳体上的连接套，绝缘隔离垫片，套管，用于安装悬臂梁探针的专用扫描探针卡具，圆柱形光学平行玻璃和光学会聚物镜；压电陶瓷扫描管一端固定于壳体上的连接套，另一端与套管的上端相接，套管的下端安装带有悬臂梁探针的扫描探针卡具；压电陶瓷扫描管的外径和内径与陶瓷套管的外径和内径相同，压电陶瓷扫描管与陶瓷套管连接处的内壁用固定胶粘接在圆柱形光学平行玻璃的圆柱面上；在套管的上端内壁平行玻璃的下方安装光学会聚物镜；压电陶瓷扫描管通过驱动细电缆线接到压电陶瓷伸缩控制驱动器上。压电陶瓷扫描管与套管通过压电陶瓷伸缩控制驱动器控制带动扫描探针卡具上的悬臂梁探针沿被测样品表面的水平两方向扫描探测时，圆柱形光学平行玻璃和光学会聚物镜共同随着扫描管摆动扫描偏转激光光束，使悬臂梁探针背面的激光点跟随悬臂梁探针一起扫描。在套管的上端内壁平行玻璃的下方安装光学会聚物镜物镜焦距f大于(φD+φdL)/(2×tan24°)(其中φdL是平行准直激光束直径φdL，一般是3个毫米以下)其水平安放的位置使物镜主光轴与套管和压电陶瓷扫描管的中心线重合，垂直安放位置上下可调，物镜和平行玻璃之间不接触、距离上留有几个毫米，最佳位置是使得会聚物镜的中心到悬臂梁探针的背面的距离等于该物镜的焦距f，因而平行准直的激光束被其会聚到悬臂梁探针的背面。套管的长度L2足以使得其上端安装的光学会聚物镜能把准直激光束会聚成像到安装在其下端的专用扫描探针卡具上的悬臂梁探针的背面，其长度L2≥f+w+h/2，而且套管长度使得压电陶瓷扫描管x和y方向的扫描范围扩大了至少(L2/L1)倍。套管右侧有一个开槽，开槽面积(h’×w’)和相对底边的位置的设计能使从悬臂梁探针背面反射出的发散激光束全部通过而不被套管遮拦。
本发明的光学成像器件把准直激光束会聚到悬臂梁探针的背面。测量时被测样品不动，当扫描器在驱动电压控制下带动悬臂梁探针前后左右沿被测样品表面扫描探测几十微米时激光光束受光学跟踪器件的作用能基本保证成像在悬臂梁探针背面的光点位置不动。控制带动扫描探针卡具上的悬臂梁探针沿被测样品表面的水平两方向扫描探测时，光学平行玻璃和光学会聚物镜随着扫描管摆动时偏转由准直激光光束，使悬臂梁探针背面的激光点在很大程度上跟随悬臂梁探针一起扫描。套管在满足长度L2≥f+w+h/2的前提下可以加长，扫描范围也能扩至少(L2/L1)倍；因套管是不可伸缩的，所以压电陶瓷扫描管伸长和缩短时，平行准直激光束的设计使得悬臂梁探针背面的激光光斑大小不变。经另一物镜和光学转向镜成像在光电位置接受器上的反射激光束也随着悬臂梁探针的向上或向下弯曲使得成像在光电检测器上的光斑位置发生变化，继而可测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品表面形貌的信息。
图1为现有技术结构示意图；图2为本发明扫描器的结构图；图3为图2中连接套管5的机械图；图4为图3的侧视图；图5为本发明用于扫描探针显微镜的原理示意图；图6～图9为实施例一的测量图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
如图2所示，用于扫描探针显微镜并且带动探针扫描的扫描器，包括把X-Y-Z一体的四象限分割电极的压电陶瓷扫描管2一端固定于壳体14上的连接套1，绝缘隔离垫片4，套管5，用于安装悬臂梁探针8的专用扫描探针卡具7，圆柱形光学平行玻璃3和光学会聚物镜6等。压电陶瓷扫描管通过驱动细电缆线接到压电陶瓷伸缩控制驱动器上。
外径与内径分别为φD和φd的压电陶瓷扫描管2下端和外径与内径也分别为φD和φd的陶瓷套管5的上端管内壁被固定胶粘接在的厚度为h的光学平行玻璃3的圆柱面上，它作为激光跟踪光学器件之一。在套管5的上端内壁有一个厚度为w、通光孔径小于φd光学会聚物镜6，它是第二个光学跟踪器件。平行准直激光束直径为φdL，则物镜焦距f至少大于(φD+φdL)/(2×tan24°□)(公式中φdL是平行准直激光束直径，一般是3个毫米以下)，其水平安放的位置使物镜主光轴与套管和扫描管的中心线重合处、垂直安放位置上下可调，物镜6和平行玻璃3之间不接触、距离上留有几个毫米，最佳位置是使得会聚物镜的中心到悬臂梁探针的背面的距离等于该物镜的焦距f，因而平行准直的激光束9被其会聚到悬臂梁探针的背面。当压电陶瓷管2伸长和缩短时，平行准直激光束的设计使得悬臂梁探针8背面的激光光斑大小基本不变。
压电陶瓷扫描管2通过套管5的放大作用实现大的扫描范围。套管5的长度足以使得其上端安装的光学胶合会聚物镜6能把准直激光束会聚成像到安装在其下端的专用扫描探针卡具7上的悬臂梁探针8的背面。其长度L2≥f+(h+w)/2，而且套管长度使得压电陶瓷扫描管x和y方向的扫描范围扩大了至少(L2/L1)倍。套管5右侧有一个开槽，开槽面积(h’×w’)和相对底边的位置的设计能使从悬臂梁探针背面反射出的发散激光束全部通过而不被套管遮拦(如图3所示)。
如图5所示，当压电陶瓷扫描管2与套管5通过压电陶瓷伸缩控制驱动器控制带动扫描探针卡具7上的悬臂梁探针8沿被测样品表面的水平两方向扫描探测时，光学平行玻璃3和光学会聚物镜6作为光学跟踪两个器件共同随着扫描管摆动扫描时偏转由激光准直器9发出的激光光束，使悬臂梁探针8背面的激光点在很大程度上跟随悬臂梁探针一起扫描。当压电陶瓷管2伸长和缩短时，平行准直激光束的设计使得悬臂梁探针8背面的激光光斑大小不变。经另一物镜11和光学转向镜12成像在光电位置接受器13上的反射激光束也随着悬臂梁探针的向上或向下弯曲使得成像光斑位置发生变化，继而可测得微悬臂对应于被测样品10扫描各点的位置变化，从而可以获得样品表面形貌的信息。
实施例一扫描探测DVD盘片表面形貌。
压电陶瓷扫描管2的外径φD＝12mm，压电陶瓷扫描管2的内径φd＝10mm，陶瓷套管5的外径φD＝12mm，陶瓷套管5的内径φd＝10mm，光学会聚物镜6的通光孔径＝6mm，平行准直激光束直径为φdL，＝1mm，则物镜焦距f至少大于(φD+φdL)/(2×tan24°□)＝10mm，物镜6和平行玻璃3之间留有2个毫米，套管5右侧开槽面积(h’×w’)＝28mm×10mm，X、Y扫描范围都是为20μm(±500V驱动电压下)，z扫描范围是4μm(±200V驱动电压下)；水平分辨率0.3nm、垂直分辨率为0.1nm。
装配调整好扫描器后，扫描探测得到DVD盘片表面形貌如图6～9所示。
权利要求
1.用于扫描探针显微镜并且带动探针扫描的扫描器，其特征是，包括把X-Y-Z一体的四象限分割电极的压电陶瓷扫描管(2)一端固定于壳体上的连接套(1)，绝缘隔离垫片(4)，套管(5)，用于安装悬臂梁探针(8)的专用扫描探针卡具(7)，圆柱形光学平行玻璃(3)和光学会聚物镜(6)；压电陶瓷扫描管(2)一端固定于壳体上的连接套(1)，另一端与套管(5)的上端相接，套管(5)的下端安装带有悬臂梁探针(8)的扫描探针卡具(7)；压电陶瓷扫描管(2)的外径和内径与陶瓷套管(5)的外径和内径相同，压电陶瓷扫描管(2)与陶瓷套管(5)连接处的内壁用固定胶粘接在圆柱形光学平行玻璃(3)的圆柱面上；在套管(5)的上端内壁平行玻璃(3)的下方安装光学会聚物镜(6)；压电陶瓷扫描管通过驱动细电缆线接到压电陶瓷伸缩控制驱动器上。
2.根据权利要求1所述的用于扫描探针显微镜并且带动探针扫描的扫描器，其特征在于压电陶瓷扫描管(2)与套管(5)通过压电陶瓷伸缩控制驱动器控制带动扫描探针卡具(7)上的悬臂梁探针(8)沿被测样品表面的水平两方向扫描探测时，圆柱形光学平行玻璃(3)和光学会聚物镜(6)共同随着扫描管(2)摆动扫描偏转激光光束，使悬臂梁探针(8)背面的激光点跟随悬臂梁探针(8)一起扫描。
3.根据权利要求1所述的用于扫描探针显微镜并且带动探针扫描的扫描器，其特征在于在套管(5)的上端内壁平行玻璃(3)的下方安装光学会聚物镜(6)，物镜焦距f大于(φD+φdL)/(2×tan24°)其水平安放的位置使物镜主光轴与套管和压电陶瓷扫描管的中心线重合，垂直安放位置上下可调，物镜和平行玻璃之间不接触，平行准直的激光束(9)被其会聚到悬臂梁探针的背面。
4.根据权利要求1所述的用于扫描探针显微镜并且带动探针扫描的扫描器，其特征在于套管(5)的长度L2足以使得其上端安装的光学会聚物镜(6)能把准直激光束(9)会聚成像到安装在其下端的专用扫描探针卡具(7)上的悬臂梁探针(8)的背面。
5.根据权利要求3所述的用于扫描探针显微镜并且带动探针扫描的扫描器，其特征在于平行准直激光束直径φdL，≤3个毫米。
6.根据权利要求3所述的用于扫描探针显微镜并且带动探针扫描的扫描器，其特征在于物镜(6)和平行玻璃(3)之间的最佳位置是使得会聚物镜的中心到悬臂梁探针的背面的距离等于该物镜的焦距f。
7.根据权利要求4所述的用于扫描探针显微镜并且带动探针扫描的扫描器，其特征在于套管(5)的长度L2≥f+w+h/2。
8.根据权利要求4所述的用于扫描探针显微镜并且带动探针扫描的扫描器，其特征在于套管(5)右侧有一个开槽，开槽面积和相对底边的位置使从悬臂梁探针背面反射出的发散激光束全部通过而不被套管遮拦。
全文摘要
本发明涉及一种用于扫描探针显微镜并且带动探针扫描的扫描器。它包括把X－Y－Z一体的四象限分割电极的压电陶瓷扫描管一端固定于壳体上的连接套，绝缘隔离垫片，套管，用于安装悬臂梁探针的专用扫描探针卡具，圆柱形光学平行玻璃和光学会聚物镜；压电陶瓷扫描管一端固定于壳体上的连接套，另一端与套管的上端相接，套管的下端安装带有悬臂梁探针的扫描探针卡具；压电陶瓷扫描管与套管内壁固定胶粘接在圆柱形光学平行玻璃的圆柱面上；在套管的上端内壁平行玻璃的下方安装光学会聚物镜，使得平行准直的激光束会聚到悬臂梁探针的背面；压电陶瓷扫描管通过驱动细电缆线接到压电陶瓷伸缩控制驱动器上。
文档编号G01N13/00GK1845257SQ200610067189
公开日2006年10月11日 申请日期2006年4月7日 优先权日2006年4月7日
发明者陈晓梅, 朱振宇, 马晓苏 申请人:中国航空工业第一集团公司北京长城计量测试技术研究所