一种双管扫描器联动跟踪型原子力显微探测系统的制作方法

专利名称:一种双管扫描器联动跟踪型原子力显微探测系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种双管扫描器联动跟踪型原子力显微探测系统。
背景技术：
近年来，现代科学技术、工业、农业及国防等各个领域的最重要特点之一，是朝着容量更大、速度更快、尺度更小的方向飞速发展及延伸，人类社会已真正进入信息时代及微纳米时代。微纳米技术正是在二十世纪末、二i^一世纪初快速发展起来的前沿技术，世界上各主要国家都将微纳米技术作为新世纪的优先发展领域。而光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)及扫描探针显微镜(SPM)等微纳米探测与显微成像技术，是微纳米技术发展的重要基础。SPM家族中最具代表性的是扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)，其中尤其以AFM的研究和应用更为广泛，因为AFM不受微纳米样品的导电性、磁性及物质态(固态、胶体、液态)等的限制，因而在在物理学、化学、材料学、微电子学、光电子学、生命科学及微纳米技术的其他领域发挥了重大作用，极大地推动了科学技术特别是微纳米技术的发展。
随着微纳米技术的发展，也必然会对AFM技术提出新的要求。目前，世界上绝大多数AFM，或称之为常规AFM，其探测头都是采用微探针固定、对样品进行扫描的形式。这些AFM仪器能够较好地实现小质量、小尺寸的微纳米样品的小范围扫描成像，但不能实现尺寸和重量较大的样品的扫描探测，而显而易见的是，尺寸和重量较大的样品占大多数。为此，需要克服常规AFM的局限性，研究发展出新型探针扫描式(样品固定)AFM技术，而这其中，需要解决光束与微探针的联动跟踪、消除扫描器的X与Y轴耦合干扰及图像畸变、消除Z向反馈的干扰信号及图像失真等关键技术问题。
采用将样品固定在开放式样品台上、用双管扫描器扫描微探针并且联动跟踪光束的方法，实现各种样品的微纳米结构探测与AFM扫描成像，很好地克服了常规样品扫描型AFM及现有探针扫描式AFM尚存在的局限性，为实现各类微纳米样品(尺寸和重量不受限制)的无畸变、无失真、快速和高精度微纳米扫描成像提供了新的技术途径，可广泛应用于微纳米技术的各个领域，进而满足我国国民经济、社会发展、科学技术及国防等领域的国家需求。

发明内容
本实用新型的目的是克服现有技术的不足，提供一种双管扫描器联动跟踪型原子力显微探测系统。
双管扫描器联动跟踪型原子力显微探测系统包括双管扫描器联动跟踪型原子力显微探测头、前置放大器、扫描与反馈控制单元、硬件接口、计算机和显示器；前置放大器与光电位置探测器及扫描与反馈控制单元连接，扫描与反馈控制单元与双管扫描器、硬件接口相连，硬件接口与计算机连接，计算机与显示器连接。
所述的双管扫描器联动跟踪型原子力显微探测头包括激光器、联动透镜、L形结构、楔块、探针座、微探针、光电位置探测器、双管扫描器、垫块、装配座、导轨、立架、粗调机构、细调机构、底座、样品台、样品；联动透镜通过L形结构及微探针座与双管扫描器相连，微探针通过探针座与双管扫描器相连，双管扫描器通过垫块固定在装配座上，激光器和光电位置探测器分别安装固定在装配座上，装配座与导轨相连，导轨安装在立架上并通过粗调机构和细调机构作垂直上下移动，立架和样品台分别固定在底座上，样品安装在样品台上。
所述的双管扫描器包括隔绝垫圈、Y轴分割槽、Y电极地、Y正电极、X轴分割槽、X电极地、X正电极、Z正电极；其中，隔绝垫圈将上层的Y轴扫描管与下层的X轴扫描管隔开，上层的Y轴扫描管又被两条对称分布的Y轴分割槽隔开，形成Y电极地和Y正电极，下层的X轴扫描管被两条对称分布的X轴分割槽隔开，形成X电极地和X正电极，两条Y轴分割槽与两条X轴分割槽，两两正交，从而形成上下双层结构、相互正交二等分的双管扫描器，分别实现X轴和Y轴的微纳米扫描，两者彼此独立，不产生耦合，扫描得到的AFM图像不会产生畸变。
本实用新型采用探针扫描、样品固定的方式，样品尺寸和重量不受限制；设计了与双管扫描器联动的光路系统，巧妙地实现了扫描时的光束跟踪；采用与Z反馈运动方向一致的反射光路，有效避免了反馈运动导致的伪信号及AFM图像失真；设计了上下双层结构、相互正交二等分的新型双管扫描器，分别实现X轴和Y轴的微纳米扫描，两者彼此独立，不产生耦合，扫描得到的AFM图像不会产生畸变。本实用新型的这些特色和创新，很好地克服了常规AFM在上述几个方面的局限性，为实现各类微纳米样品(尺寸和重量不受限制)的无畸变、无失真、快速和高精度微纳米扫描成像提供了新的技术途径。


图I是双管扫描器联动跟踪型原子力显微探测系统结构示意图；
图2是本实用新型的双管扫描器联动跟踪型原子力显微探测头示意图；
图3 Ca)是本实用新型的双管扫描器正视图；
图3 (b)是本实用新型的双管扫描器侧视图；
图中双管扫描器联动跟踪型原子力显微探测头I、前置放大器2、扫描与反馈控制单元3、硬件接口 4、计算机5和显示器6，激光器7、联动透镜8、L形结构9、楔块10、探针座11、微探针12、光电位置探测器13、双管扫描器14、垫块15、装配座16、导轨17、立架18、粗调机构19、细调机构20、底座21、样品台22、样品23，隔绝垫圈24、Y轴分割槽25、Υ电极地26、Y正电极27、X轴分割槽28、X电极地29、X正电极30、Z正电极31。
具体实施方式
双管扫描器联动跟踪型原子力显微探测方法采用将样品固定在开放式样品台上、用双管扫描器扫描微探针并且联动跟踪光束的方法，引入一个跟随双管扫描器一起扫描的联动透镜，XY扫描移动量与微探针移动量保持一致，微探针始终位于联动透镜的焦面上，在双管扫描器、微探针、跟踪透镜联动扫描时，从激光器发射并经过联动透镜聚焦而成的激光光斑，能始终斜向照射聚焦于微探针上，从而实现光束跟踪；从微探针反射的光束，垂直照射到光电位置探测器上，由于微探针的Z反馈运动方向与反射光束的光轴重合，反射光斑在光电位置探测器上的重心位置不会因反馈运动而变化，因此有效避免反馈运动导致的伪信号及原子力显微镜图像失真；采用上下双层结构、相互正交二等分的双管扫描器，分别实现X轴和Y轴的微纳米扫描，两者彼此独立，不产生耦合，因此扫描得到的AFM图像不会产生畸变。
如图I所示，双管扫描器联动跟踪型原子力显微探测系统包括双管扫描器联动跟踪型原子力显微探测头I、前置放大器2、扫描与反馈控制单元3、硬件接口 4、计算机5和显示器6 ;前置放大器2与光电位置探测器13及扫描与反馈控制单元3连接，扫描与反馈控制单元3与双管扫描器14、硬件接口 4相连，硬件接口 4与计算机5连接，计算机5与显示器6连接。
如图2所示，所述的双管扫描器联动跟踪型原子力显微探测头I包括激光器7、联动透镜8、L形结构9、楔块10、探针座11、微探针12、光电位置探测器13、双管扫描器14、垫块15、装配座16、导轨17、立架18、粗调机构19、细调机构20、底座21、样品台22、样品23 ；联动透镜8通过L形结构9及微探针座11与双管扫描器14相连，微探针12通过探针座11与双管扫描器14相连,双管扫描器14通过垫块15固定在装配座16上,激光器7和光电位 置探测器13分别安装固定在装配座16上，装配座16与导轨17相连，导轨17安装在立架18上并通过粗调机构19和细调机构20作垂直上下移动，立架18和样品台22分别固定在底座21上，样品23安装在样品台22上。
双管扫描器联动跟踪型原子力显微探测头I采用探针扫描、样品固定的方式，样品尺寸和重量不受限制；设计了与双管扫描器联动的光路系统，结构简洁，巧妙地实现了扫描时的光束跟踪；采用与Z反馈运动方向一致的反射光路，有效避免了反馈运动导致的伪信号及AFM图像失真。
如图3所示，所述的双管扫描器14包括隔绝垫圈24、Y轴分割槽25、Υ电极地26、Y正电极27、Χ轴分割槽28、Χ电极地29、Χ正电极30、Ζ正电极31 ;其中，隔绝垫圈24将上层的Y轴扫描管与下层的X轴扫描管隔开，上层的Y轴扫描管又被两条对称分布的Y轴分割槽25隔开,形成Y电极地26和Y正电极27,下层的X轴扫描管被两条对称分布的X轴分割槽28隔开，形成X电极地29和X正电极30，两条Y轴分割槽25与两条X轴分割槽28，两两正交，从而形成上下双层结构、相互正交二等分的双管扫描器14，分别实现X轴和Y轴的微纳米扫描，两者彼此独立，不产生耦合，扫描得到的AFM图像不会产生畸变。
本实用新型的采用探针扫描、样品固定的方式，样品尺寸和重量不受限制；设计了与双管扫描器联动的光路系统，巧妙地实现了扫描时的光束跟踪；采用与Z反馈运动方向一致的反射光路，有效避免了反馈运动导致的伪信号及AFM图像失真；设计了上下双层结构、相互正交二等分的新型双管扫描器，分别实现X轴和Y轴的微纳米扫描，消除了 AFM图像的畸变和扭曲。本实用新型的这些特色和创新，很好地克服了常规AFM的局限性，为实现各类微纳米样品(尺寸和重量不受限制)的无畸变、无失真、快速和高精度微纳米扫描成像提供了新的技术途径。
权利要求
1.一种双管扫描器联动跟踪型原子力显微探测系统，其特征在于包括双管扫描器联动跟踪型原子力显微探测头(I)、前置放大器(2)、扫描与反馈控制单元(3)、硬件接口(4)、计算机(5)和显示器(6);前置放大器(2)与光电位置探测器(13)及扫描与反馈控制单元(3)连接，扫描与反馈控制单元(3)与双管扫描器(14)、硬件接口(4)相连，硬件接口(4)与计算机(5)连接，计算机(5)与显示器(6)连接。
2.根据权利要求
I所述的一种双管扫描器联动跟踪型原子力显微探测系统，其特征在于所述的双管扫描器联动跟踪型原子力显微探测头(I)包括激光器(7)、联动透镜(8)、L形结构(9)、楔块(10)、探针座(11)、微探针(12)、光电位置探测器(13)、双管扫描器(14)、垫块(15)、装配座(16)、导轨(17)、立架(18)、粗调机构(19)、细调机构(20)、底座(21)、样品台(22)、样品(23);联动透镜(8)通过L形结构(9)及微探针座(11)与双管扫描器(14)相连，微探针(12)通过探针座(11)与双管扫描器(14)相连，双管扫描器(14)通过垫块(15)固定在装配座(16 )上，激光器(7 )和光电位置探测器(13 )分别安装固定在装配座(16 )上，装配座(16)与导轨(17)相连，导轨(17)安装在立架(18)上并通过粗调机构(19)和细调机构(20 )作垂直上下移动，立架(18 )和样品台(22 )分别固定在底座(21)上，样品(23 )安装在样品台(22)上。
3.根据权利要求
I所述的一种双管扫描器联动跟踪型原子力显微探测系统，其特征在于所述的双管扫描器(14)包括隔绝垫圈(24)、Y轴分割槽(25)、Y电极地(26)、Y正电极(27)、X轴分割槽(28)、X电极地(29)、X正电极(30)、Z正电极(31);其中，隔绝垫圈(24)将上层的Y轴扫描管与下层的X轴扫描管隔开，上层的Y轴扫描管又被两条对称分布的Y轴分割槽(25)隔开，形成Y电极地(26)和Y正电极(27)，下层的X轴扫描管被两条对称分布的X轴分割槽(28)隔开，形成X电极地(29)和X正电极(30)，两条Y轴分割槽(25)与两条X轴分割槽(28)，两两正交，从而形成上下双层结构、相互正交二等分的双管扫描器(14)，分别实现X轴和Y轴的微纳米扫描，两者彼此独立，不产生耦合，扫描得到的AFM图像不会产生畸变。
专利摘要
本实用新型公开了一种双管扫描器联动跟踪型原子力显微探测系统。采用样品固定、双管扫描器扫描微探针并且联动跟踪光束的方法，实现样品微纳米结构的原子力显微探测与扫描成像。它具有由双管扫描器、探针座、微探针、L形结构、联动透镜、激光器、光电位置探测器、样品、样品台等组成的双管扫描器联动跟踪型AFM探测头，以及由前置放大器、扫描与反馈控制单元、计算机等组成的扫描成像与反馈控制系统。本实用新型的优点是样品尺寸和重量不受限制；与双管扫描器联动的光路系统，有效实现扫描时的光束跟踪；反射光路与Z反馈运动方向一致，避免反馈导致的伪信号及AFM图像失真；上下双层结构、相互正交二等分的双管扫描器，消除了耦合产生的图像畸变。
文档编号G01Q60/24GKCN202599977SQ201220275141
公开日2012年12月12日 申请日期2012年6月12日
发明者丑若帆, 刘明月, 张冬仙, 章海军 申请人:浙江大学