CN101655439A - 扫描式表面介电微区分析仪及方法和应用于其中的探针 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种扫描式表面介电微区分析仪及方法和应用于其中的探针，该分析仪包括获得样品介电信息的测量模块、获得样品形貌信息的扫描定位模块和负责数据采集、处理、显示、存储的计算机；介电测量模块包括通过电缆依次连接的交流信号发生器、下电极、作为上电极的探针、电流电压转换与信号放大器和位相幅度比较器，样品置于探针和下电极之间；计算机控制扫描定位模块将探针定位在需进行介电测量的位置；探针包括受扫描定位模块控制的探针本体和连接于探针本体的针尖，该针尖包括中心导电针，该针尖还包括包覆于导电针的绝缘层和包覆于绝缘层的屏蔽层。本发明的探针具有绝缘、屏蔽杂散电场干扰和分流干扰电流的优点，提高了测量准确度。

Description

扫描式表面介电微区分析仪及方法和应用于其中的探针

【所属技术领域】

本发明涉及材料表面微区分析和材料电学性质微区测量领域，特别是涉及一种探测介质表面微区的探针及应用该探针的扫描式表面介电微区分析仪器和分析方法。

【背景技术】

普通扫描探针显微镜只能用于材料表面形貌等微观性质测量。而普通的介电分析仪只能对几何尺寸在厘米尺度的样品进行分析。因此这两种系统都不能用于对亚微米尺度甚至纳米尺度的样品介电性质的测量。由于缩小测量面积至微米，甚至纳米尺寸，会带来测量信号的极大减弱，同时由于杂散电场的存在引入的误差影响，以至至今无法用国际上常用的测量手段得到强度足够的有效信号，成功测量此微小尺度下的样品介电性质。虽然表面介电性质测量是材料表面性质的一个重要表征手段，然而国际上介电性质的微区测量至今没有成功报道。对于表面单分子薄膜的介电表征，尤其是对单分子的介电特性的研究，都属于目前基础研究的前沿课题。单分子介电性质的直接测量，无疑是重要的并且是对目前测量手段的一个直接补充。

另外，现有电学性质测量方法中所用的探针，其结构无法屏蔽被测样品与探针导电针尖周围的外部干扰和杂散电场的影响，并且现有技术中通过电流信号控制探针Z方向的高度，无法将探针-样品之间距离和样品介电性质所引起的电流变化彻底区分开，因此探针与样品之间的定位与介电测量会相互干扰，影响了测量结果的准确度。

【发明内容】

本发明的目的在于克服已有技术的不足之处，提出一种扫描式介电微区分析仪器，可以实现对样品表面最小至纳米尺度的不同区域的形貌和介电性质的扫描和测量。

本发明的另一目的在于克服已有技术的不足之处，提出一种微观介电信号的测量和相应介电参量的计算方法，可以实现对样品表面最小至纳米尺度的不同区域的形貌和介电性质的较高精度的测量。

本发明的再一目的在于克服已有技术的不足之处，提出一种用于探测介质表面微区性质的探针，可以实现对样品表面最小至纳米尺度的不同区域的形貌和介电性质的探测。

本发明提供了一种扫描式表面介电微区分析仪，包括获得样品的介电信息的介电测量模块、获得样品的形貌信息的扫描定位模块和负责数据的采集、处理、显示、存储的计算机及软件；所述的介电测量模块包括通过电缆依次连接的交流信号发生器、连接样品的下电极、作为上电极的探针、电流电压转换与信号放大器和位相幅度比较器，其中，所述的样品置于探针和下电极之间；计算机控制扫描定位模块将探针定位在需要进行介电测量的位置；所述的探针包括受扫描定位模块控制的探针本体和连接于探针本体的针尖，该针尖包括中心导电层，还包括包覆于中心导电层外的绝缘层和包覆于绝缘层外的屏蔽层，最外部的屏蔽层由导电材料制成。

所述的针尖的中心导电层、绝缘层和屏蔽层为同轴结构，绝缘层均匀的包覆于中心导电层外、屏蔽层均匀的包覆于绝缘层外，中心导电层的直径在纳米至微米之间。

所述的针尖的中心导电层既可以由同种导电材料制成，也可以为对最内层绝缘体通过镀膜制成；其镀膜可以单层镀膜，也可以绝缘和非绝缘材料多层镀膜制成，从最外部的屏蔽层到最内层，可以包括多层交替的绝缘层和导电层。

所述的绝缘层的材料可选用二氧化硅，所述的屏蔽层材料可选用具有良好导电性的材料金。

所述的电流电压转换与信号放大器的阻抗接近于零。

测量时，探针的中心导电层和屏蔽层分别接地或分别施加交流信号，以使得中心导电层和屏蔽层的电位相同或相近，并使得中心导电层与电流电压转换与信号放大器相连接。

所述的扫描定位模块由激光二极管、四象限探测器、扫描反馈控制器、Z方向驱动信号放大器、X/Y方向驱动信号放大器、压电陶瓷扫描管、X/Y扫描控制器组成；激光二极管发出的激光照射到探针上，并经过反射到达四象限探测器。当探针与样品之间的距离发生变化时，会使探针发生形变，相应的改变反射光斑的位置，从而改变不同象限上所接受到的光强；各象限上的光信号被分别转换为电信号传递到扫描反馈控制器；通过与软件中的设定值比较得到反馈信号，传到Z方向驱动信号放大器，在经过放大之后，产生控制探针的Z方向运动的控制信号；当需要将探针定位至样品表面某一位置时，将计算机产生的位置控制信号传递到X/Y扫描控制器、X/Y方向驱动信号放大器，产生X/Y方向的控制信号，再将此信号传递到压电陶瓷扫描管，从而带动探针定位至所需位置；Z方向控制信号与由计算机产生的X、Y方向的扫描信号，经过电路加到压电陶瓷扫描管上，从而控制压电陶瓷扫描管带动探针进行X、Y、z方向的移动，控制探针与样品间的距离，从而获得样品表面的形貌信息。

本发明提供一种分析仪测量样品表面微观介电信号及计算介电参数的方法，其特征在于，包括如下的步骤：

1)分析仪的交流信号发生器产生激励电压将此激励电压加到下电极上，同时分别测量针尖在远离样品和扫描过程中的响应电流

2)将两次得到的电流信号

分别与激励电压信号

进行比较，得到各自的复阻抗信息Z₁ ^*、Z₂ ^*；

3)从扫描过程中得到的复阻抗信息Z₂ ^*中扣除针尖远离样品时的复阻抗信息Z₁ ^*，从而扣除针尖几何尺寸、物理性质、电路自身阻抗性质等因素造成的系统误差，得到扫描过程中该位置处的样品自身的复阻抗信息Z_2-1 ^*；

4)根据公式得到样品的介电常数ε^*，其中ω表示交流信号发生器发生的频率，i为复数符号，C₀表示用真空代替样品介质材料同时保持其它几何参数不变所对应的电容值。

可以通过如下的方法获取Z₁ ^*、Z₂ ^*：先求出激励电压

和两次电流信号

的复数形式U^*、I₁ ^*、I₂ ^*：

然后，根据如下的公式求出针尖远离和扫描过程中的两次测量的复阻抗Z₁ ^*、Z₂ ^*，

$Z^{*}=\frac{U^{*}}{I^{*}}.$

本发明提供一种用于探测表面微区的探针，包括探针本体和连接于探针本体的针尖，该针尖包括中心导电层，还包括包覆于中心导电层外的绝缘层和包覆于绝缘层外的屏蔽层，最外部的屏蔽层由导电材料制成。

所述的针尖的中心导电层、绝缘层和屏蔽层为同轴结构，绝缘层均匀的包覆于中心导电层外、屏蔽层均匀的包覆于绝缘层外，中心导电层的直径在纳米至微米之间。

所述的绝缘层的材料可选用二氧化硅，所述的屏蔽层材料可选用具有良好导电性的材料金。

为屏蔽探针与样品之间的杂散电场，以及周围的干扰信号，进行介电测量时，探针的中心导电层连接电流电压转换器及信号放大器，屏蔽层施加与中心导电层上测量到的相同位相、幅度的交流信号，以使得中心导电层和屏蔽层的电位相同或相近。

借由上述技术方案，本发明至少具有下列优点：

1、具有多层同轴结构的探针，最大限度的屏蔽了外部干扰和杂散电场的影响，提高测量的灵敏度和准确度。

2、当探针直径为微米至纳米尺度时，上下电极之间的电容值非常小，因此测量过程中的响应电流也非常小，可能达到fA以下。电流电压转换与信号放大器的阻抗接近于零，可以提高测量精度。

3、测量计算时，通过从扫描过程中得到的复阻抗信息Z₂ ^*中扣除针尖远离样品时的复阻抗信息Z₁ ^*，从而扣除针尖几何尺寸、物理性质、电路自身的阻抗性质等因素造成的系统误差，提高了测量的准确度

4、在测量时，使得探针的中心导电层与外屏蔽层二者的电位保持相同或相近但并不连通，仅取中心导电层的电流作为有效信号，从而去除外屏蔽层与下电极之间的电流信号，从而大大地减少外界干扰，尤其是外屏蔽层和下电极之间的巨大杂散电容引起的交流信号干扰。

5、采用平行板电容方式测量样品介电性质，测量方法简便，测量精度高、测量速度快。通过计算机软件的换算可以自动获得介电常数、损耗、阻抗、电容等重要介电参数。

6、高精度交流信号发生器可以产生连续变化、幅度和频率稳定的正弦信号，作用在于扩大测量范围，提高测量精度。

7、交流信号幅度位相分析器只对与信号发生器所产生的电压信号同频率的电流信号进行分析，获得幅度和位相信息，避免了其他频率电磁信号的干扰，以及系统噪音对测量结果的影响。

8、采用原子力显微镜技术原理实现扫描和定位，使该系统在测量介电性质的同时还可以获得样品表面的形貌信息，以及样品表面介电性质的分布图，而且定位精度和重复性得到大大提高。

与普通探针相比，利用该探针提高介电测量的空间分辨率，实现对样品表面最小至纳米尺度的不同区域的介电性质的测量，其原因在于：

对于用于电学测量的普通无屏蔽层的针尖，首先针尖尺寸通常较大，至少在微米或更大的尺度。而且由于电力线分布在上下电极，也就是针尖和样品之间的全部空间中，形成杂散电场。针尖所测量到的响应电流不仅来自针尖正下方处样品，同时来自于周围很大范围内的样品。因此利用普通探针进行介电测量，其空间分辨率远远大于针尖的直径。而本发明中所提到的探针，与普通探针相比存在两个主要特点：第一，由于采用微加工技术，用于介电信号测量的中心导电层的直径与传统探针尖端的直径相比更小，达到微米甚至纳米级别；第二，采用了屏蔽层的设计，而且在测量过程中保证外部屏蔽层与中心导电层保持同电位。因此虽然电力线仍然是分布在针尖和样品之间的很大范围空间内，但是外部的大部分电力线都是分布在样品和外部屏蔽层之间。在中心导电层与样品之间的电力线则完全平行，呈圆柱状分布。超出中心导电层正下方范围以外的样品所产生的响应电流通过外部屏蔽层而非中心导电层。只有中心导电层正下方，与其尺度相当的区域内的样品所产生的响应电流才通过中心导电层最终进入介电分析仪。从而使得介电性质测量的空间分辨率可以达到与探针中心导电层直径相当的水平，也就是微米甚至纳米级别。

在测量过程中保持探针的中心导电层与外屏蔽层二者的电位相同或相近的目的是为了抵消屏蔽层与中心导电层之间的电容效应。

【附图说明】

图1为本发明扫描式表面介电微区分析仪器的功能模块示意图；

图2为本发明探针结构示意图；

图3为本发明的探针针尖结构示意图；

图4为本发明对物体表面微观介电信号的测量和计算的方法流程图；

图5A为传统探针在介电测量的空间分辨率的示意图；

图5B为本发明的探针在介电测量的空间分辨率示意图；

图6A为使用传统探针在介电测量时测量电流信号的示意图；

图6B为使用本发明在介电测量时测量信号的示意图。

【具体实施方式】

为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种探测介质表面微区介电性质的探针及应用该探针的扫描式表面介电微区分析仪及方法，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。

如图1所示，为本发明扫描式表面介电微区分析仪功能模块示意图，主要由介电测量模块、扫描定位模块和计算机组成。通过介电测量模块获得样品的介电信息，利用扫描定位模块获得样品的形貌信息并将探针定位在需要进行介电测量的位置。计算机负责数据的采集、处理、显示、存储等。

图1中介电测量模块主要由交流信号发生器1、连接样品的下电极2、具有绝缘层和屏蔽层的探针3、电流电压转换与信号放大器4、位相幅度比较器5组成。探针3作为上电极，样品放置在由探针3构成的上电极和与样品相连的下电极2组成的电极对之间。下电极2同时可作为放置样品的样品架。

如图2所示，为本发明探针的一种结构示意图，其不局限于本实施例的结构。探针3包括探针本体31和垂直于探针本体31的针尖32。该探针本体31连接于扫描定位模块。请同时参阅图3，该针尖32由导电材料制成的中心导电层14、均匀包覆于中心导电层14的绝缘层15和均匀包覆于绝缘层15的外部导电屏蔽层16构成。该探针3的针尖32呈圆锥形，由中心导电层14，中间绝缘层15和外导电屏蔽层16构成同轴结构。该同轴结构针尖32的中心导电层14的直径尺寸非常微小，达到微米、亚微米、甚至纳米尺度。绝缘层15的材料选用固体材料，例如二氧化硅。外部屏蔽层16选用导电性良好的金属，例如金等。本实施例中该探针针尖32采用微加工技术制造，保证了中心导电层14尺寸的微细、外部导电屏蔽层16和绝缘层15的均匀包裹、该探针针尖32各层的同轴结构。外屏蔽层和中心针可以分别接地、或分别施加特定频率和幅度的交流信号。中心导电层14可以为导电金属针尖，也可以为绝缘针尖通过金属镀膜制成；从最外部屏蔽层到最内层，为多层相交替的绝缘层和导电层；其镀膜可以单层镀膜，也可以绝缘和非绝缘材料多层镀膜制成。

由交流信号发生器1在软件控制下产生一定频率和幅度的正弦波电压信号

此正弦波电压信号

经过电路输出到作为放置样品的下电极2和位相幅度比较器5上，并通过该下电极2施加到被测样品上。在电压信号激励下，样品的上下电极之间产生电流信号。而由于样品本身的弛豫等介电性质，会在探针3和下电极2之间产生一个与电压信号频率相同的响应电流信号

该响应电流信号

可以通过探针3的针尖32进行采集。该响应电流信号通过探针3经过电路进入电流电压转换与信号放大器4，电流电压转换与信号放大器4将该响应电流信号

转换成电压信号并放大该电压信号；经电流电压转换与信号放大器4转换后并放大的电压信号进入到位相幅度比较器5；位相幅度比较器5对交流信号发生器1输送过来的正弦波电压信号和电流电压转换与信号放大器4输送过来电压信号的幅度和相位进行比较，比较的结果通过数据线进入计算机13的数据采集系统，并经过计算机13的软件系统进行运算，最终得到探针所对应点的样品的介电性质。所说的电流电压转换与信号放大器4的输入阻抗接近于零，从而获得极高的介电测量灵敏度。其最小可测量相应电流达到1E-3 fA。

激励电压信号

和响应电流信号

的幅度U₀、I₀以及信号之间的位相差

体现了样品的介电性质信息。计算机13按下列的计算原理求出样品介电常数ε^*：

1)先求出电压信号和电流信号的复数形式：

2)根据公式 $Z^{*}=\frac{U^{*}}{I^{*}},$ 由电压信号和电流信号的复数U^*、I^*求出复阻抗Z^*；

3)根据公式

由复阻抗Z^*求出样品介电常数ε^*随频率ω变化的函数；

其中，ε^*表示样品介电常数，ω表示交流信号发生器发生的频率，i为复数符号，C₀表示用真空代替样品介质材料同时保持其它几何参数不变时所对应的电容值。

测量样品表面微观介电信号时，通过对外导电屏蔽层16施加特定频率和幅度的交流信号，使同轴结构的探针3的外导电屏蔽层16与中心导电层14的电位相同或相近，但二者并不连通。本实施例中，将中心导电层14与输入阻抗为零的电流电压转换与信号放大器4相连接，以获取中心导电层14的电流作为有效信号，同时探针3的针尖32的外屏蔽层16上施加相同幅度和频率的交流信号，从而分离外导电屏蔽层16与下电极2之间的电流信号，大大地减少外界干扰，尤其是外导电屏蔽层16和下电极2之间的巨大杂散电容引起的交流信号干扰，有效的屏蔽杂散电场和外界干扰。

图4为本法测量和计算介电参量的流程图，包括如下的步骤：

1)分别测量针尖32在远离样品和扫描过程中的测量响应电流

依据下述的计算方法；

2)根据激励电压

将两次得到的电流信号

分别进行变换得到各自的复阻抗信息Z₁ ^*、Z₂ ^*；可以通过如下的方法获取Z₁ ^*、Z₂ ^*：先求出激励电压

和两次电流信号

的复数形式U^*、I₁ ^*、I₂ ^*：

I₂ ^*＝I₂exp(i ωt)

然后，根据公式 $Z^{*}=\frac{U^{*}}{I^{*}}$ 求出针尖32远离和扫描过程中的两次测量的复阻抗Z₁ ^*、Z₂ ^*。

3)然后从扫描过程中得到的复阻抗信息Z₂ ^*中扣除针尖32远离样品时的复阻抗信息Z₁ ^*，从而扣除针尖32几何尺寸、物理性质、电路自身的阻抗性质等因素造成的系统误差，得到扫描过程中的样品自身复阻抗信息Z_2-1 ^*；

4)根据公式

得到样品的介电信息ε^*，其中，ε^*表示样品介电常数，ω表示交流信号发生器发生的频率，i为复数符号，C₀表示用真空代替样品介质材料同时保持其它几何参数不变时所对应的电容值。

扫描定位模块主要由激光二极管6、四象限探测器7、扫描反馈控制器8、Z方向驱动信号放大器9、X/Y方向驱动信号放大器10、压电陶瓷扫描管11、X/Y扫描控制器12组成。探针3在样品表面进行微纳米尺度定位是利用由激光二极管6、四象限探测器7、扫描反馈控制器8构成的具有原子力显微镜技术原理的方式所实现的，因此也可以实现原子力显微镜所能实现的所有各种测量模式。本发明中的扫描定位模块不局限于本实施例中所列举的实现方式，任何可以实现本发明中的扫描定位模块的功能的模块均在此列。

激光二极管6发出的激光照射到探针3上，再反射到四象限探测器7上，形成光斑。探针3与样品之间的距离处于纳米尺度范围时会产生相互作用，此作用力在一定范围内随探针3与样品之间的距离减小而增大，并使探针3发生相应的形变，探针3的形变使激光光斑在四象限探测器7上的位置相应发生移动，从而使四象限探测器7四个象限区域的输出发生变化。输出的电信号进入扫描反馈控制器8，通过与计算机13中的设定值比较得到反馈信号，此反馈信号进入Z方向驱动信号放大器9，产生控制探针3的Z方向的控制信号，该控制信号通过电路加到压电陶瓷扫描管11上，控制压电陶瓷扫描管11沿Z方向伸缩，达到控制探针针尖32与样品间的距离，从而可以使探针与样品之间的距离维持恒定。在计算机13的软件控制下，X/Y扫描控制器12产生特定周期、幅度的三角波电压信号或其他所需的驱动信号。该驱动信号经X/Y方向驱动信号放大器放大之后加到压电陶瓷扫描管11上，从而控制压电陶瓷扫描管11带动探针3以一定速度和范围对样品表面进行扫描。由于探针3与样品之间的距离在反馈电路控制下维持恒定，因此计算机13的软件系统通过测量Z方向扫描驱动信号就可以获得样品表面的形貌信息。

在测量样品表面的形貌信息过程中，不但可以利用探针3扫描获得样品表面的形貌信息。同时在对每一组X、Y值对应的位置上，可以利用探针3依照前面介绍的介电测量模块测量样品的介电性质时所描述的原理测量样品的介电参数，从而得到在选定的样品表面区域内的介电性质的分布图。

当需要将针尖32定位至样品表面某一位置时，将计算机13产生的位置控制信号传递到X/Y扫描控制器12，产生X、Y方向的控制信号，再将此信号传递到X/Y方向驱动信号放大器10进行信号放大，经X/Y方向驱动信号放大器10放大后的信号传递到压电陶瓷扫描管11，压电陶瓷扫描管11带动探针3定位至样品表面所需位置。

本发明的扫描定位模块中，作为传动装置的压电陶瓷扫描管11，也可选用其他的传动装置如步进马达来代替。通过控制加在压电陶瓷扫描管11上的电压或步进马达的旋转，从而控制针尖32在样品表面的位置，并且通过周期性改变此电压信号或步进马达正反两个方向的旋转，实现针尖32的扫描。

与传统探针相比，利用该探针提高介电测量的空间分辨率，实现对样品表面最小至纳米尺度的不同区域的介电性质的测量，其原因在于：

对于传统的无屏蔽层的针尖，如图5A所示，虽然针尖尺寸可以达到微米甚至更小的尺度，但是由于电力线分布在上下电极，也就是针尖和样品之间的全部空间中，使得针尖所测量到的响应电流不仅来自针尖正下方处样品，同时来自于周围很大范围内的样品，如果5A中17所指区域。而本发明中所提到的探针，如图5B所示，与传统探针相比存在两个主要特点：第一，由于采用微加工技术，获取介电信号的中心导电层的直径与传统探针尖端的直径相比更小，达到微米甚至纳米级别；第二，采用了屏蔽层的设计，而且在测量过程中保证外部屏蔽层与中心导电层保持同电位。因此虽然电力线仍然是分布在针尖和样品之间的很大范围空间内，但是在中心导电层与样品之间的电力线则完全平行，呈圆柱状分布。超出中心导电层正下方范围以外的样品所产生的响应电流通过外部屏蔽层而非中心导电层。只有中心导电层正下方，与其尺度相当的区域内的样品(图5B中18所指区域)所产生的响应电流才通过中心导电层最终进入介电分析仪。从而使得介电性质测量的空间分辨率可以达到与探针中心导电层直径相当的水平，也就是微米甚至纳米级别。

保持探针3的外导电屏蔽层16与中心导电层14的电位相同或相近，从而抵消外屏蔽层与中心导电层之间的电容效应，其原理如下。对于普通针尖，测量得到的响应电流来自于两部分电容，第一是探针中心部分与下电极之间由样品材料所构成的电容19；第二是探针侧壁与下电极之间由于杂散电场所构成的电容20，如图6A所示。对于普通探针，总的响应电流为：

其中U^*为激励电压，i为复数符号，C^* ₁₉为电容19的电容值，C_* ²⁰为电容20的电容值。由于中心部分的直径为微米至纳米级，而探针的侧壁面积可达平方毫米量级，远大于探针前端的面积，因此电容20的电容值C^* ₂₀远大于电容19的电容值C^* ₁₉。普通探针无法消除电容20所引入的误差。

而本发明中所提到的探针加入了屏蔽层，如图6B所示。中心导电层与下电极之间的样品材料构成电容19′，外屏蔽层与下电极之间由于杂散电场构成电容20′。电流电压转换及放大器只与探针的中心导电层相连接，将通过中心导电层的电流I^* _19′，与外屏蔽层与下电极之间由于杂散电场所形成的电流I^* _20′分离开，从而消除了杂散电场的影响。但是因此引入了中心导电层与外屏蔽层之间的绝缘层形成了电容C^* ₂₁。因此，中心导电层中测量得到的总的响应电流变为：

其中U^*为激励电压，U^* ₂₁为中心导电层与外屏蔽层之间的电位差，i为复数符号，C^* _19′为电容19′的电容值，C^* ₂₁为电容21的电容值。为避免电容21在交变电场作用下产生的电流对测量引入误差，分析仪根据中心导电层上测量得到的电压，保持探针的外屏蔽层与中心导电层的电位相同或相近。使得电容21的两极时刻处于同电位，即U^* ₂₁＝0。因此，分析仪测量到的响应电流

只来自于中心导电层针尖下方对应的微小面积的样品部分，从而实现了高信号灵敏度和纳米级的空间分辨率。

Claims (12)

1、一种扫描式表面介电微区分析仪，包括获得样品的介电信息的介电测量模块、获得样品的形貌信息的扫描定位模块和负责数据的采集、处理、显示、存储的计算机及软件；所述的介电测量模块包括通过电缆依次连接的交流信号发生器、连接样品的下电极、作为上电极的探针、电流电压转换与信号放大器和位相幅度比较器，其中，所述的样品置于探针和下电极之间；计算机控制扫描定位模块将探针定位在需要进行介电测量的位置；所述的探针包括受扫描定位模块控制的探针本体和连接于探针本体的针尖，该针尖包括中心导电层，还包括包覆于中心导电层外的绝缘层和包覆于绝缘层外的屏蔽层，最外部的屏蔽层由导电材料制成。

2、如权利要求1所述的扫描式表面介电微区分析仪，其特征在于：针尖的中心导电层、绝缘层和屏蔽层为同轴结构，绝缘层均匀的包覆于中心导电层外、屏蔽层均匀的包覆于绝缘层外，中心导电层的直径在纳米至微米之间。

3、如权利要求2所述的扫描式表面介电微区分析仪，其针尖的中心导电层既可以由同种导电材料制成，也可以为对最内层绝缘体通过镀膜制成；其镀膜可以单层镀膜，也可以绝缘和非绝缘材料多层镀膜制成，从最外部的屏蔽层到最内层，可以包括多层交替的绝缘层和导电层。

4、如权利要求1-3中任一项所述的扫描式表面介电微区分析仪，其特征在于，所述的绝缘层的材料可选用二氧化硅，所述的屏蔽层材料可选用具有良好导电性的金。

5、如权利要求1中所述的扫描式表面介电微区分析仪，其特征在于，所述的电流电压转换与信号放大器的阻抗接近于零。

6、如权利要求5中所述的扫描式表面介电微区分析仪，其特征在`于，测量时，探针的中心导电层和屏蔽层分别接地或分别施加交流信号，以使得中心导电层和屏蔽层的电位相同或相近，并使得中心导电层与电流电压转换与信号放大器相连接。

7、如权利要求1中所述的扫描式表面介电微区分析仪，其特征在于，所述的扫描定位模块由激光二极管、四象限探测器、扫描反馈控制器、Z方向驱动信号放大器、X/Y方向驱动信号放大器、压电陶瓷扫描管、X/Y扫描控制器组成；激光二极管发出的激光照射到探针上，并经过反射到达四象限探测器。当探针与样品之间的距离发生变化时，会使探针发生形变，相应的改变反射光斑的位置，从而改变不同象限上所接受到的光强；各象限上的光信号被分别转换为电信号传递到扫描反馈控制器；通过与软件中的设定值比较得到反馈信号，传到Z方向驱动信号放大器，在经过放大之后，产生控制探针的Z方向运动的控制信号；当需要将探针定位至样品表面某一位置时，将计算机产生的位置控制信号传递到X/Y扫描控制器、X/Y方向驱动信号放大器，产生X/Y方向的控制信号，再将此信号传递到压电陶瓷扫描管，从而带动探针定位至所需位置；Z方向控制信号与由计算机产生的X、Y方向的扫描信号，经过电路加到压电陶瓷扫描管上，从而控制压电陶瓷扫描管带动探针进行X、Y、Z方向的移动，控制探针与样品间的距离，从而获得样品表面的形貌信息。

8、一种利用权利要求1所述的分析仪测量样品表面微观介电信号及计算介电参数的方法，其特征在于，包括如下的步骤：

1)分析仪的交流信号发生器产生激励电压

将此激励电压加到下电极上，同时分别测量针尖在远离样品和扫描过程中的响应电流

2)将两次得到的电流信号

分别与激励电压信号

进行比较，得到各自的复阻抗信息Z₁ ^*、Z₂ ^*；

3)从扫描过程中得到的复阻抗信息Z₂ ^*中扣除针尖远离样品时的复阻抗信息Z₁ ^*，从而扣除针尖几何尺寸、物理性质、电路自身阻抗性质等因素造成的系统误差，得到扫描过程中该位置处的样品自身的复阻抗信息Z_2-1 ^*；

4)根据公式

得到样品的介电常数ε^*，其中ω表示交流信号发生器发生的频率，i为复数符号，C₀表示用真空代替样品介质材料同时保持其它几何参数不变所对应的电容值。

9、如权利要求8中的利用权利要求1所述的分析仪测量样品表面微观介电信号及计算介电参数的方法，其特征在于，可以通过如下的方法获取Z₁ ^*、Z₂ ^*：先求出激励电压

和两次电流信号

的复数形式U^*、I₁ ^*、I₂ ^*：

然后，根据如下的公式求出针尖远离和扫描过程中的两次测量的复阻抗Z₁ ^*、Z₂ ^*，

$Z^{*}=\frac{U^{*}}{T^{*}}.$

10、一种用于探测表面微区的探针，包括探针本体和连接于探针本体的针尖，该针尖包括中心导电层，还包括包覆于中心导电层外的绝缘层和包覆于绝缘层外的屏蔽层，最外部的屏蔽层由导电材料制成。

11、如权利要求10中所述的用于探测表面微区的探针，其特征在于针尖的中心导电层、绝缘层和屏蔽层为同轴结构，绝缘层均匀的包覆于中心导电层外、屏蔽层均匀的包覆于绝缘层外，中心导电层的直径在纳米至微米之间。

12、如权利要求10-11中任一项所述的用于探测表面微区的探针，其特征在于，所述的绝缘层的材料可选用二氧化硅，所述的屏蔽层材料可选用具有良好导电性的金。

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