CN101915858A - 反馈控制扭摆弱力扫描探测仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种反馈控制扭摆弱力扫描探测仪，利用悬丝悬挂于样品的中心构成扭摆，角度传感器实时测量由于样品和探针之间的弱力使得扭摆产生的扭转信息，并将该扭转信息送给控制器，控制器控制反馈执行机向扭摆施加反馈力，以平衡待测弱力产生的力矩。本发明实现了高精度和高分辨率的弱力扫描测量，整个装置结构简单，操作方便。

Description

反馈控制扭摆弱力扫描探测仪

技术领域

本发明属于精密测量领域，具体涉及一种弱力扫描探测仪，用于样品电荷分布、电磁参量、机械参量等的精确测量。

背景技术

随着科学的发展，在科学实验的深入研究和实际应用中，对测量精度的要求不断提高。而在一些高精度的实验中，如高精度的弱力检测中，对检验物体的检测要求很高，尤其是对检验质量表面的形态特征以及电势分布等等。这些高精度的实验需求涉及到高精度弱力检测技术，这需要极高精度的仪器装置来实现。

1985年IBM公司的葛·宾尼(G.Binnig)与斯坦福大学的卡尔文·夸特(Calvin Quate)和IBM苏黎士实验室的克里斯托·格柏(ChristophGerber)合作推出了原子力显微镜(Atomic Force Microscopy，简称AFM)，这是一种不需要导电试样的扫描探针型显微镜。这种显微镜通过粗细只有一个原子大小的探针在非常近的距离上探索物体表面的情况，便可以分辨出其他显微镜无法分辨的极小尺度上的表面细节与特征(如图1)。这种显微镜能以空前的高分辨率探测原子和分子的形状，确定物体的电、磁与机械特性，甚至能确定温度变化的情况。使用这种显微镜时无需使试样发生变化，也无需使试样受破坏性的高能辐射作用。

AFM的工作原理就是将探针装在一个弹性微悬臂的一端，微悬臂的另一端固定，当探针在样品表面扫描时，探针与样品表面原子间的排斥力会使得微悬臂轻微变形，通过在扫描时控制这种力的恒定，带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样品的表面方向起伏运动。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。

尽管如今AFM的技术已经相当成熟，并广泛应用于各个领域，然而这种传统的原子力显微镜却也存在一些的不足，例如样品的制备上尺寸有较大的限制，结构也比较复杂，其机械热噪声成为其精度的限制之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种反馈控制扭摆弱力扫描测量仪，结构简单，提高了分辨率，降低了测量噪声。

一种反馈控制扭摆弱力扫描测量仪，包括悬丝1、角度传感器3、控制器4、反馈执行机5和探针扫描机构，悬丝1悬挂于样品6的中心构成扭摆，探针扫描机构的探针7靠近样品6，角度传感器3用于实时测量样品6和探针7之间的弱力使得扭摆产生的扭转信息，并将该扭转信息送给控制器4，控制器依据扭转信息控制反馈执行机5向扭摆施加反馈力，用以平衡弱力产生的力矩。

在传统高灵敏度扭秤基础上，本发明提出反馈控制扭摆弱力扫描探测装置(如图2所示)。利用高精度传感器(如电容位移传感器或者光学传感器等)，来测量扭摆检验质量的偏转运动，然后通过后续控制器系统和反馈控制执行机(如采用静电反馈执行机或者磁反馈执行机)将检验质量控制在其平衡位置。当扫描探针在检验质量样品表面附近移动时，便可通过高精度传感器检测出检验质量与扫描探针之间相互作用的变化，最后通过执行机施加反馈力来补偿这个微弱相互作用力，此时执行机的力便可以度量出二者的相互作用，最终给出相关待测参数以及其分布。高精度扭摆作为弱力检测敏感器，具有更高灵敏度和更低的机械热噪声。结合扫描弱力测量思想可以实现对样品待测参数的高精度和高空间分辨率的测量。这特别对于研究样品的电场分布，微弱力的扫描测量，Patch效应的研究等具有重要意义。

下面以测量样品电荷分布为例来说明该仪器的工作原理和优点。由于导体内部缺陷、加工工艺、镀膜处理等因素导致实际情况下检验质量表面的电势是不相等的。目前实验研究表明，即便是高纯金属经过细致处理之后表面的电势差异仍高达100mV左右，人们把导体表面不均匀电势分布称之为Patch效应，中文直译为“斑块的，或者碎鳞的”，斑块尺寸约为1μm到几个mm。人们早在19世纪末和20世纪初就发现了这一现象，不过直到最近二十年左右随着空间引力计划发展而逐步重视起来。人们利用开尔文(Kelvin)探针原子力显微镜开展了多种材料导体的Patch效应，空间分辨率达到了0.2nm，且其测量精度在mV/Hz^1/2量级。此外有人利用精密扭秤对两个导体之间的电势差进行了测量，测量精度达到了30μV/Hz^1/2，但是其只是测量了两个导体之间的平均表面势差，并没有对导体电势空间分布进行测量。

将此原子力扫描显微镜作为一种测量导体的表面电势分布的装置，可以将检验质量用扭丝悬挂起来作为一个扭摆，然后根据实验研究要求，适当改变弱力探针7为一个小平面金属板作为Patch效应源导体，配上合适的引力补偿物体组合成一个新的探针系统，同时采取扫描的方式，测量Patch效应源导体与检验质量表面空间各区域的相互作用，得出检验质量表面电势空间分布，则可以研究检验质量表面与金属平面源导体之间的Patch效应。

本发明的技术效果体现在：

(1)利用扭摆作为弱力传感器，具有更高的灵敏度。相对传统的原子力传感器而言，具有更高的探测水平。例如，选取典型参数：检验质量80g，扭秤长度为20cm，选用25微米的钨丝悬挂检验质量，钨丝长度为50cm，可得该扭秤力矩探测水平约为10^-14Nm/Hz^1/2，其力探测水平在10^-13N/Hz^1/2，这要比传统原子力显微镜检测水平至少高出1个数量级。

(2)利用反馈控制扭摆精确控制样品的位置，满足探针扫描测量。该装置扫描测量的空间分辨率预计可达到1nm左右，弱力检测精度10^-13N/Hz^1/2，实现了高精度和高分辨率的弱力扫描测量。

附图说明

图1为AFM原理示意图；

图2为本发明实例示意图。

具体实施方式

实例如图2所示，实例中样品6是体积小的平面样品，因此将样品6安放在一承载平台2上，悬丝1悬挂承载平台2的重心构成扭摆。角度传感器采用一对以承载平台2为中心对称放置的电容极板构成的电容位移传感器，或者采用光学光杠杆方式构成光学传感器。探针7连接到一个微位移平台8，可以沿着扭摆各个方向对样品表面不同区域进行扫描。反馈执行机5可采用静电或磁反馈控制，若采用静电反馈，则通过在扭摆2的另一端一边放置一块电容极板(或者对称放置两块电容极板)，通过对电容极板施加一个合适的电压产生静电力，通过这个静电力来平衡弱力力矩；若采用磁反馈，则采用对磁敏感的的扭摆，在扭摆2的另一端放置一个精密线圈，通过对电磁线圈施加合适的电流来产生一个磁场力，从而平衡弱力力矩，实现反馈控制。

工作过程具体为：角度传感器3检测样品6与弱力探针7相互作用力后导致扭摆发生的扭转，将这个扭转角度信息传给控制器4。控制器4依据角度信息控制反馈执行机5，实时产生一个适当的反馈力施加给扭摆，用以平衡弱力力矩，达到让扭摆保持相对静止的目的。通过施加在反馈执行机5上的反馈信号来获知弱力大小，从而得知样品2的电荷分布、电磁参量、机械参量等信息。

Claims (3)

1.反馈控制扭摆弱力扫描探测仪，包括悬丝(1)、角度传感器(3)、控制器(4)、反馈执行机(5)和探针扫描机构，悬丝(1)悬挂于样品的中心构成扭摆，探针扫描机构的探针(7)靠近样品，角度传感器(3)实时测量由于样品和探针(7)之间的弱力使得扭摆产生的扭转信息，并将该扭转信息送给控制器(4)，控制器依据扭转信息控制反馈执行机(5)向扭摆施加反馈力，以平衡待测弱力产生的力矩。

2.根据权利要求1所述的反馈控制扭摆弱力扫描探测仪，其特征在于，所述角度传感器(3)采用电容位移传感器或光学传感器。

3.根据权利要求1或2所述的反馈控制扭摆弱力扫描探测仪，其特征在于，所述反馈执行机(5)采用静电或磁反馈控制。

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