CN101308079B - 用于扫描探针显微镜的螺旋式扫描方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于扫描探针显微镜的螺旋式扫描方法。旋转空气轴承高速旋转，从旋转编码器获得旋转的角度，气浮导轨沿着待测工件的径向运动，从线性编码器获得气浮导轨的位移，旋转空气轴承和气浮导轨从而构成扫描模块，利用DSP综合控制系统模块驱动SPM测量头获得待测工件表面的高度信息，再利用高速数据采集与处理模块将SPM测量头和扫描模块关联在同一个坐标系中，实现扫描频率和形貌测量速度匹配、极坐标和直角坐标之间的数据快速实时转换，从而实现微纳结构三维形貌的高速、大面积超精密测量。本发明可以实现对微纳结构三维形貌的快速、大面积扫描，进而快速构建微纳结构三维形貌，彻底解决传统SPM测量速度慢、测量范围小等瓶颈问题。

Description

用于扫描探针显微镜的螺旋式扫描方法

技术领域

本发明涉及一种用于扫描探针显微镜的螺旋式扫描方法。

背景技术

随着基于金刚石刀具的超精密加工技术的不断发展以及以微机电系统(Micro-electromechanical Systems，MEMS)为代表的微细加工技术的不断进步，具有特殊功能的三维微结构不断出现，例如：高深-宽比微细结构(High AspectRatio Microstructures，HARMS)是MEMS和Microsystems中最具代表性的特征之一，HARMS结构可以使得MEMS及Microsystems的多项性能指标，如：驱动力、工作频率范围、灵敏度和位移量得到很大提高；同时，HARMS结构也是平面光栅、复杂非球曲面等现代精密零部件中不可缺少的重要组成部分，在航空、航天、电子、化工、生物、医疗等许多领域扮演着重要角色，有着广阔的应用前景。上述三维微结构的形状将直接影响相关器件的性能，因此对其进行超精密测量非常必要。多年来，研究人员探索出了多种测量方法，比如利用光学手段的非接触测量方法，但该方法在测量精度方面远未达到实际需求。

SPM技术在测量精度方面要大大领先利用光学手段的非接触测量方法。就测量表面形貌而言，应用最广泛的是扫描隧道显微镜(Scanning TunnelingMicroscope，STM)和原子力显微镜(Atomic Force Microscope，AFM)，前者基于量子电流隧道效应，后者是基于原子之间的相互作用力。STM/AFM的纵向分辨率可达0.001～0.01nm，横向分辨率也可达1nm，然而二者横向测量长度一般在几微米或几十微米量级。传统的STM/AFM都是采用高精度压电驱动(Piezoactuator)的扫描模式，无法实施高速扫描，也使它们的使用范围仅限于实验室内的微纳形貌和几何量测量的限制，无法应用到加工现场，更不能实现On-machine测量。

发明内容

本发明的目的是为了避免传统的扫描探针显微镜(SPM)无法对微纳三维结构实施高速、大面积扫描，提供一种用于扫描探针显微镜的螺旋式扫描方法。

用于扫描探针显微镜的螺旋式扫描方法是将旋转编码器安装在旋转空气轴承上，待测工件安装在旋转空气轴承上，在气浮导轨上安装有线性编码器和与待测工件相配合的SPM测量头，当工作时，旋转空气轴承高速旋转，从旋转编码器获得旋转的角度，气浮导轨沿着待测工件的径向运动，从线性编码器获得气浮导轨的位移，旋转空气轴承和气浮导轨从而构成扫描模块，利用DSP综合控制系统模块驱动SPM测量头获得待测工件表面的高度信息，再利用高速数据采集与处理模块将SPM测量头和扫描模块关联在同一个坐标系中，实现扫描频率和形貌测量速度匹配、极坐标和直角坐标之间的数据快速实时转换，从而实现微纳结构三维形貌的高速、大面积超精密测量。

本发明与传统的SPM测量技术中的扫描方法相比具有显著的优势是：避免了传统的SPM测量技术由于其压电扫描模块的速度低、测量面积小等问题，利用本发明的新型扫描方法和装置可以大大方便测量，可以在保证测量精度的同时，兼顾高速性和大面积测量能力，从而彻底解决传统SPM测量速度慢、测量范围小等瓶颈问题，并以此为基础构建一种能够实现对微纳结构三维形貌的快速、大面积扫描，开发工业级的扫描探针显微镜(SPM)。

附图说明

图1是用于扫描探针显微镜的螺旋式扫描方法原理框图；

图2是本发明的装置结构图；

图3是扫描方法和极坐标、直角坐标变换的示意图；

图中：旋转编码器1、旋转空气轴承2、待测工件3、SPM测量头4、线性编码器5、气浮导轨6。

具体实施方式

如图1、2所示，用于扫描探针显微镜的螺旋式扫描方法是将旋转编码器1安装在旋转空气轴承2上，待测工件3安装在旋转空气轴承2上，在气浮导轨6上安装有线性编码器5和与待测工件3相配合的SPM测量头4，当工作时，旋转空气轴承高速旋转，从旋转编码器获得旋转的角度，气浮导轨沿着待测工件的径向运动，从线性编码器获得气浮导轨的位移，旋转空气轴承和气浮导轨从而构成扫描模块，利用DSP综合控制系统模块驱动SPM测量头获得待测工件表面的高度信息，再利用高速数据采集与处理模块将SPM测量头和扫描模块关联在同一个坐标系中，实现扫描频率和形貌测量速度匹配、极坐标和直角坐标之间的数据快速实时转换，从而实现微纳结构三维形貌的高速、大面积超精密测量。

所述的DSP综合控制系统模块采用TMS320FA2812芯片。旋转编码器(HEIDENHAIN RCN 226)、线性编码器(HEIDENHAIN LIP 382)、SPM测量头(PI P-840.40压电陶瓷、自制夹持装置等)

在图2中，待测微纳结构3被真空吸盘吸附在旋转空气轴承2上，气浮导轨6上安装SPM测量头4，然后移动SPM测量头4对准到旋转空气轴承2的中心点上，然后将旋转空气轴承2的回转运动和气浮导轨6的直线运动同步起来，保证对待测微纳结构3的测量在螺旋模式下进行。

当气浮导轨6在SPM测量头4对准旋转空气轴承2的中心点上时开始移动，SPM测量头4探针尖端在XY平面上的极坐标和直角坐标可用如下方程表示：

$(r_i,{\mathrm{\θ}}_i)=(\frac{F_i}{\mathrm{PT}},2\mathrm{\π}\frac{i}{p})$ i＝0，1，...，N-1(1)

(x_i，y_i)＝(r_icosθ_i，r_isinθ_i)  i＝0，1，...，N-1    (2)

如图3所示，在方程(1)中，F是气浮导轨6的进给速率，P是旋转编码器1每转的脉冲个数，T是旋转空气轴承2的旋转速度，i是旋转编码器1的转数，N是整个测量过程中总的脉冲数，而旋转编码器1的脉冲作为与个人计算机相连接的数据采集板的外触发器信号，在该脉冲信号的作用下，系统采集编码器1的输出量θ_i，和与气浮导轨6相关联的线性编码器5的输出量r_i。

由方程(1)得到参量r_i，θ_i，从而再由方程(2)得到X-Y平面参量x_i，y_i。

参量z_i的值由与SPM测量头4相关联的线性编码器输出，它采用传统的伺服控制策略，并且与X-Y平面的扫描同步。

系统将参量θ_i、r_i和z_i采集进计算机，经过计算机的计算和转换后得到直角坐标系下的三维坐标参数，利用自己开发的3D图形生成软件实时绘制出待测微纳部件的三维表面形貌图，从而构建出微纳结构的三维形貌。

利用新的扫描方法和装置，可以在保证测量精度的同时，兼顾高速性和大面积测量能力，从而彻底解决传统SPM测量速度慢、测量范围小等瓶颈问题。

新扫描方法中，旋转空气轴承负责跟踪并记录扫描的角度，而气浮导轨负责跟踪并记录扫描的径向距离，待测工件吸附在空气轴承上连续旋转，气浮导轨驱动探针沿径向扫描实施微纳结构三维形貌的高速、大面积超精密测量，其中气浮导轨驱动的径向扫描的初始点和旋转空气轴承的中心点重合。

采用DSP综合控制系统模块驱动SPM测量头，逐点测量微纳三维结构的三维形貌。在DSP综合控制系统模块的统一控制下，配合螺旋式扫描模块的运动，从而得到微纳结构的三维参数，从而为构建微纳结构三维形貌作好数据准备。

利用DSP综合控制系统的高速数据采集与处理系统将SPM测量头和螺旋式扫描模块关联起来实现表面三维形貌的高速、大面积超精密测量。根据扫描频率和SPM形貌测量速度匹配的原则，得到高速SPM在操作过程中的动态耦合以及系统综合控制策略，高速数据采集与处理系统从SPM测量头和螺旋式扫描模块得到实时的测量参数，然后进行极坐标和直角坐标之间的数据高速实时转换，利用自己开发的3D图形生成软件实时绘制出待测微纳部件的三维表面形貌图，从而构建出微纳结构的三维形貌。

Claims (2)

1.一种用于扫描探针显微镜的螺旋式扫描方法，其特征在于：将旋转编码器(1)安装在旋转空气轴承(2)上，待测工件(3)安装在旋转空气轴承(2)上，在气浮导轨(6)上安装有线性编码器(5)和与待测工件(3)相配合的SPM测量头(4)，移动SPM测量头（4）对准到旋转空气轴承（2）的中心点上，当工作时，旋转空气轴承高速旋转，从旋转编码器获得旋转的角度，气浮导轨沿着待测工件的径向运动，从线性编码器获得气浮导轨的位移，旋转空气轴承和气浮导轨从而构成扫描模块，利用DSP综合控制系统模块驱动SPM测量头获得待测工件表面的高度信息，再利用高速数据采集与处理模块将SPM测量头和扫描模块关联在同一个坐标系中，实现扫描频率和形貌测量速度匹配、极坐标和直角坐标之间的数据快速实时转换，从而实现微纳结构三维形貌的高速、大面积超精密测量。

2.根据权利要求1所述的一种用于扫描探针显微镜的螺旋式扫描方法，其特征在于所述的DSP综合控制系统模块采用TMS320FA2812芯片。

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