原子力显微镜及其探针组件

本发明涉及原子力显微镜，具体涉及一种原子力显微镜及其探针组件。

背景技术：

1、原子力显微镜是在扫描隧道显微镜基础上发展起来的新型探针显微镜技术，其成像原理是利用针尖与被测样品之间的原子间作用力扫描成像，在国际上已被广泛应用于纳米材料等多个领域的表面分析仪器。随着技术的发展，原子力显微镜的应用越来越广泛，不再局限于样品扫描，还被应用于原子分子的搬迁、微机械加工等多个领域。

2、随着原子力显微镜的应用范围的扩展，对原子力显微镜性能要求也日益提高，特别是对样品形貌的快速大范围扫描成像以及同一样品多定位点同时扫描成像这方面的要求来说，传统的单个针尖单次扫描已经无法满足。目前，使用原子力显微镜对样品表面进行大范围扫描时，单个探针针尖扫描样品表面形貌，不仅扫描速度慢，成像慢，而且针对样品上不同定点的形貌扫描，需要依次抬高针尖，确定定位点位置，再对定位点进行单次下针。这样不仅操作步骤繁琐，而且效率较低。

3、现有技术已有多探针阵列对样品进行扫描以提高效率的研究，例如中国专利申请cn109799367a提供了一种激光检测式四探针原子力显微镜的技术方案。该技术方案中的原子力显微镜包括四组探针，每一组探针配置一个激光检测组件来反馈悬臂梁的形变量，进而调节针尖的高度位置，即使用传统的光杠杆来对探针针尖的收缩进行反馈调节。该技术方案中存在以下问题：使用光杠杆反馈调节会造成多探针中的多个光路相互干扰；如果为了避免多光路相互干扰而设计复杂的光路系统，将限制了可以集成在阵列中的探针数量。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种原子力显微镜及其探针组件，以解决多个探针组件阵列集成时，反馈信号相互干扰的问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

3、一种原子力显微镜的探针组件，包括形成有探针孔的探针基座以及设置在所述探针孔中的扫描探针，所述扫描探针包括悬臂梁；其中，

4、所述悬臂梁的第一端连接到所述探针孔的侧壁上，第二端与所述探针孔的侧壁之间具有间隙；所述悬臂梁的下表面临近于所述第一端的位置设置有压力传感器，所述悬臂梁的下表面临近于所述第二端的位置依次叠层连接有压电陶瓷层和探针针尖；

5、所述压力传感器用于将所述悬臂梁的形变机械力转换为相应的电信号并输出，以反馈所述探针针尖与待测样品之间的相互作用力。

6、优选的方案中，所述压力传感器为压阻式柔性压力传感器或电容式柔性压力传感器。

7、优选的方案中，所述悬臂梁的长度为100μm～500μm，所述悬臂梁的厚度500nm～5μm。

8、优选的方案中，所述悬臂梁是与所述探针基座基于硅晶圆材料刻蚀形成的一体成型结构。

9、优选的方案中，所述探针基座上设置有集成电路单元和图形化电连接线路，所述集成电路单元通过所述图形化电连接线路与所述压力传感器连接；所述集成电路单元用于接收所述压力传感器输出的电信号并将所述电信号输出至外部信号处理器件。

10、优选的方案中，所述探针针尖选自接触模式探针针尖、导电探针针尖、磁性探针针尖、大长径比探针针尖和全金刚石探针针尖中的任意一种。

11、优选的方案中，所述压电陶瓷层的材料选自钛酸钡、锆钛酸铅、铌镁酸铅和聚偏氟乙烯中的任意一种。

12、优选的方案中，所述探针基座上形成有多个呈阵列排布的所述探针孔，每一所述探针孔中分别设置有一个能够独立控制的所述扫描探针。

13、优选的方案中，多个所述探针孔在所述探针基座上呈m行×n列的阵列排布，同一行所述探针孔中对应的所有扫描探针的连接朝向相同；m和n分别为2以上的整数。

14、本发明的另一方面是提供一种原子力显微镜，包括如上所述的探针组件。

15、本发明实施例提供的原子力显微镜及其探针组件，在探针组件中设置了压力传感器，使用压力传感器将悬臂梁的形变机械力转换为电信号，来反馈调节探针针尖的高度位置。相比于传统技术中使用光杠杆反馈调节的方式，本发明在将多个探针集成阵列以对样品形貌进行快速大范围扫描成像，或者是同一样品多定位点同时扫描成像时，可以避免反馈调节相互干扰，极大地提高了扫描样品表面形貌的速度与效率。

技术特征：

1.一种原子力显微镜的探针组件，其特征在于，包括形成有探针孔的探针基座以及设置在所述探针孔中的扫描探针，所述扫描探针包括悬臂梁；其中，

2.根据权利要求1所述的探针组件，其特征在于，所述压力传感器为压阻式柔性压力传感器或电容式柔性压力传感器。

3.根据权利要求1所述的探针组件，其特征在于，所述悬臂梁的长度为100μm～500μm，所述悬臂梁的厚度500nm～5μm。

4.根据权利要求1所述的探针组件，其特征在于，所述悬臂梁是与所述探针基座基于硅晶圆材料刻蚀形成的一体成型结构。

5.根据权利要求1所述的探针组件，其特征在于，所述探针基座上设置有集成电路单元和图形化电连接线路，所述集成电路单元通过所述图形化电连接线路与所述压力传感器连接；所述集成电路单元用于接收所述压力传感器输出的电信号并将所述电信号输出至外部信号处理器件。

6.根据权利要求1所述的探针组件，其特征在于，所述探针针尖选自接触模式探针针尖、导电探针针尖、磁性探针针尖、大长径比探针针尖和全金刚石探针针尖中的任意一种。

7.根据权利要求1所述的探针组件，其特征在于，所述压电陶瓷层的材料选自钛酸钡、锆钛酸铅、铌镁酸铅和聚偏氟乙烯中的任意一种。

8.根据权利要求1-7任一项所述的探针组件，其特征在于，所述探针基座上形成有多个呈阵列排布的所述探针孔，每一所述探针孔中分别设置有一个能够独立控制的所述扫描探针。

9.根据权利要求8所述的探针组件，其特征在于，多个所述探针孔在所述探针基座上呈m行×n列的阵列排布，同一行所述探针孔中对应的所有扫描探针的连接朝向相同；m和n分别为2以上的整数。

10.一种原子力显微镜，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的探针组件。

技术总结
本发明公开了一种原子力显微镜的探针组件，包括形成有探针孔的探针基座以及设置在探针孔中的扫描探针，所述扫描探针包括悬臂梁，所述悬臂梁的第一端连接到探针孔的侧壁上，第二端与探针孔的侧壁之间具有间隙；所述悬臂梁的下表面临近于第一端的位置设置有压力传感器，所述悬臂梁的下表面临近于第二端的位置依次叠层连接有压电陶瓷层和探针针尖；所述压力传感器用于将悬臂梁的形变机械力转换为相应的电信号并输出，以反馈探针针尖与待测样品之间的相互作用力。本发明中使用压力传感器将形变机械力转换为电信号，来反馈调节探针针尖的高度位置，避免了已有技术中在将多个探针集成阵列时光杠杆的反馈信号相互干扰的问题。

技术研发人员：王双兰,刘争晖,徐耿钊,张春玉,凌小伦,张珽
受保护的技术使用者：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15