CN102640007B - 具有包括运动挠性装置的支撑工作台的扫描探针显微镜 - Google Patents

Abstract

扫描探针显微镜(SPM)(200)具有基于压电致动器的管式扫描器(12)，所述扫描器上附接有探针(14)并且所述扫描器可以通过对压电管施加电压而在三个平面内运动。一组挠性部(40)随着所述管的位移挠曲，附接至所述挠性部的应变计(74，76，78，80)用来测量所述挠性部的挠曲从而在扫描物体期间提供关于所述管的位移的反馈信息。所述应变计和挠性部形成这样一种运动感测框架或装置，其中对每个自由度提供单独的约束并且其中所述约束至少基本上互相正交。

Description

具有包括运动挠性装置的支撑工作台的扫描探针显微镜

相关申请的交叉参考

本申请要求2010年10月29日提交的美国系列号为61/256,073的权利，其全文通过引用井入本文。

技术领域

本发明总体涉及显微镜，更具体地，涉及机电扫描装置，例如扫描探针显微镜(SPM)，它具有测量在样品扫描期间扫描装置位移的设备。

背景技术

机电扫描装置、例如SPM和力扫描探针显微镜(FSPM)通常使用扫描样品或以其他方式与样品互相作用的探针而用来产生特征或样品的图像。扫描器使探针和/或样品在水平平面或X-Y平面内相对于彼此运动，以便将探针定位在样品的期望位置上，所述探针和/或样品竖直地或在Z方向上相对于彼此运动以进行测量。扫描器可以将探针定位在样品表面上的一个位置或多个分散的位置以便进行期望的测量，或者可以以通常已知为光栅扫描的模式前后移动探针横穿样品。在一些设备中，探针相对于样品运动，而在另一些设备中，样品相对于探针运动。在又一些其它的设备中，扫描器包括用于使探针和样品二者平移的分体的致动器。例如，在一些设备中，X-Y致动器使样品相对于探针平移，而Z致动器使探针相对于样品平移。扫描器典型地安装在扫描头或工作台之内或之上，所述工作台支撑扫描器或者偶尔支撑其它设备、例如光学显微镜的部件。样品和探针之间的相互作用被记录为探针位置的函数，这些记录下来的相互作用被用于获取代表样品的部分的数据。

由于探针和样品的相互作用被作为探针位置的函数记录下来，所以在样品的取样期间也必需准确地了解探针的位置。如果图像是原子和亚原子级别的，每个取样位置之间的位移相当小，由此需要高度精确地了解探针的位置。

一些SPM通过使用施加到SPM的扫描器的电压来确定探针相对于样品的位置来使用开环控制将探针定位在样品上的期望位置处。其它的SPM使用闭环控制代替开环控制或者使用闭环控制作为开环控制的补充，所述闭环控制利用扫描器位移测量。已经开发了大量传感器和测量技术来准确测量样品扫描期间探针的位移，这些传感器有很多缺点。例如，已经发现很多传感器缺少对原子和亚原子探针的必要的敏感性，过大或者具有有限的感测范围，或者对能够对位移测量准确性产生不利影响的干扰非常敏感。

因此，在本领域仍然需要一种设备，所述设备提供样品扫描期间对机电扫描设备的探针位移的高度精准的测量。

发明内容

简要和概括地说，根据本发明一个方面的机电扫描设备包括传感器装置，所述传感器装置能够感测SPM扫描器在至少两个、优选三个互相正交维度上的位移。优选的传感器装置能够测量或感测这种扫描器的位移，所述扫描器具有例如10kHz的相对高的带宽和例如小于1nm的相对低的噪声。所述传感器装置被认为是相对紧凑的，并具有低的功率损耗，例如低于10mW。

根据本发明的一个方面，提供包括这种扫描器的扫描探针显微镜，所述扫描器具有适合于在第一或X方向和第二或Y方向上运动的压电致动器。所述扫描显微镜还具有第一传感器和第二传感器，所述第一传感器和第二传感器分别构造成用于感测致动器在第一和第二方向的位移。所述第一和第二传感器提供了独立的输出信号，所述信号彼此去耦，以便每个传感器提供关于致动器在特定方向上的位移的信息，而对另一个方向的位移不敏感。

根据本发明的另一个方面，SPM包括扫描器，所述扫描器从扫描头顶盖的开口延伸并可响应于施加给管的电压而在X、Y和Z方向运动。所述扫描头另外包括传感器-安装装置，所述传感器-安装装置包括与传感器的工作端联接的基座。所述基座构造成响应于扫描器在Z轴的位移而挠曲。杆与所述基座联接并以大体与所述扫描器邻近但空间上隔开的方式从基座向上延伸。所述杆响应于致动器在X方向或Y方向的位移而挠曲。应变计装置独立地测量扫描器在X、Y和Z方向的位移。所述致动器优选包括压电元件，更优选地包括压电管。

所获得的结构提供这样一种运动感测框架或装置，其中对每个自由度提供单独的约束并且其中所述约束至少基本上互相正交(也就是非简并的)。

根据本发明的又一个方面，提供操作SPM的方法，所述方法包括：选择性地使压电管式扫描器通电，以便使管式扫描器的工作端沿基本上互相正交的X、Y和Z方向平移。所述方法还包括：使用传感器安装装置监测所述管的工作端的运动，所述传感器安装装置从管致动器组件机械地断开。所述监测包括：将管式扫描器的工作端的运动转变成与其联接的传感器安装装置的运动。使用挠性部，将所述运动集中到传感器安装装置的部分中，在所述传感器安装装置上各个X-轴传感器、Y-轴传感器和Z-轴传感器分别安装至X方向、Y方向和Z方向。分别使用X-轴传感器、Y-轴传感器和Z-轴传感器直接监测管式扫描器的工作端在X、Y和Z方向的运动。

从下面的详细说明和附图中，本发明的这些和其它的目的、特征和优势对本领域技术人员将更加显而易见。但是应该理解，示出本发明优选实施方式的所述详细说明和特定实例只以说明方式给出，并不限制本发明。在不偏离本发明精神的前提下可以对本发明作出多种改变和修改，本发明包括所有这些修改。

附图说明

在附图中图示说明了本发明的优选实施方式，其中类似的附图标记始终代表类似的部分，其中：

图1示例性图示了包括根据本发明优选实施方式构造的工作台或扫描头的AFM；

图2是图1中AFM的扫描头的等距视图；

图3是图2中X-Y挠性模块的等距视图；

图4是图3中X-Y挠性模块的底部等距视图；和

图5是图2中SPM的Z挠性模块的顶部等距视图。

具体实施方式

图1至5示出根据本发明的一个实施方式的工作台或扫描头10。扫描头10形成原子力显微镜(AFM)200形式的SPM的部分(图1)，所述原子力显微镜非常适合对原子和亚原子级别的物体进行扫描和成像。但可以理解的是，扫描头10和落入所附权利要求范围内的其它扫描头还可用于其它装置。

参考图1，本实施方式的AFM200除了其它部件之外，包括致动器组件、XYZ致动器组件或扫描器112、以及控制站220。扫描器112安装在样品222之上，并在扫描器112的运动的下端部上支承探针212。探针212具有悬臂214和安装在悬臂214的自由端部上的尖端。探针212联接至振荡致动器或驱动装置216，所述振荡致动器或驱动装置在这种情况下用于驱动探针212在探针的谐振频率或接近探针的谐振频率处振荡。通常，在AFM控制站220的控制下从交流信号源218将电子信号施加到驱动装置216使得探针212振荡、优选以自由振荡幅度A0振荡。

控制站220典型地由至少一台计算机以及相关联的电子设备和软件组成，所述相关联的电子设备和软件执行数据采集和控制AFM的任务。控制站220可以由单个集成单元组成，或者可以由电子设备和软件的分布式排列组成。所述控制站可以使用典型的台式电脑、笔记本电脑、工业计算机和/或一个或多个种嵌入式处理器。

还可以使用致动器组件或扫描器12致动探针212朝向样品222或远离样品222运动。扫描器12可以由控制站220反馈控制。此外，尽管显示扫描器12联接至探针212，但是扫描器12或它的部分还可以用来使样品212在两个或更多个互相正交的方向上运动。

在操作中，使得探针212振荡并接触样品222，通过检测探针212的振荡的变化来监测样品特征。特别是，电波(未示出)指向探针212的背部，然后朝着检测器226反射，检测器226例如是四象限光电检测器。当电波平移穿过检测器，适当的信号被传送到控制站220，控制站处理所述信号以决定探针212的振荡的变化。控制站220通常产生控制信号以保持尖端216和样品之间恒定的力，典型地保持探针212的振荡的设定点特征。例如，控制站220通常用于将振荡幅度保持在设定值，As，以保证尖端216和样品之间通常是恒定的力。可替换地，可以使用设定相位或频率。还提供工作站，所述工作站接收来自控制站220的收集数据并处理扫描期间获得的数据以便进行上述选点、曲线拟合和距离确定操作。所述工作站可以是控制站220本身，也可以是单独的机载控制器、单独的场外控制器，或它们三个的任意组合。如果所述工作站由两个或更多个控制器的组合构成，则两个或更多个控制器优选互相连接，例如通过硬接线或经由以太网连接。

现在转向图2，扫描头10包括：图1的AFM200的扫描器12；和运动安装装置35，所述运动安装装置联接至扫描器12并支撑对扫描器12的平移进行监测的传感器。扫描器12可以包括任何可以被选择性地供给电流以便使探针212在X、Y和Z方向上以控制方式运动的装置。扫描器12优选包括压电致动器组件、例如压电层叠，或者更优选地，压电管致动器组件或简称为“管式扫描器”。管式扫描器提供了下列优势：机械上简单，并具有优越的动力性能，但是比层叠致动器更易于挠曲和滞后。本文所述传感器组件可以用于提供反馈，以抵消那些有害作用。

形成本实施方式的扫描器12的压电管致动器组件——对于那些目前在AFM中使用的来说是典型的——包括上下安装的上致动器14和下致动器16。上致动器14在其上端处安装在刚性支座或顶盖28上并且在其下端上支撑下致动器16。上致动器14载有电极20、22，对所述电极施加电压时在X-Y平面内引起管式扫描器12的位移。致动器14可以将探针12定位在期望的样品位置之上以用于测量，并且/或者致动器14可以被控制为使得探针以光栅图案在样品22之上前后扫描探针。在此应该注意到，本文中将组件12称为“扫描器”或“管式扫描器”仅为了方便，不应理解为表示所述探针在操作中必须在样品表面上前后扫描。

致动器16的下端形成扫描器12的工作端，因此在致动器16的下端的底部支撑探针212、工作端。下致动器16载有电极24，在电极24通电时，使扫描器12的工作端并且由此使探针212在Z方向位移。在此，通过使x-y致动器14的电极20、22通电能够使得探针212沿着X和Y轴运动，并且通过使Z致动器16的电极24通电能够使得探针212沿着Z轴运动。因此，出于这种应用目的，扫描器12在X和Y方向的运动限定了大致平行于样品的测量表面的扫描平面，扫描器12在Z方向的运动基本上与所述扫描平面正交。

具体参考图2，并在图5中进一步图示说明，运动传感器安装装置35联接至扫描器12的工作端，并将扫描器12在X、Y和Z方向的运动转换成传感器感测的运动。传感器安装装置35包括：联接至传感器12的基座30；从基座30向上延伸并与管式扫描器12间隔开的长形杆32、34；和挠性部，所述挠性部使X、Y和Z方向的运动互相分离，并将装置35的部分在X、Y和Z方向的运动分别集中。传感器直接监测这些部分的运动，以便互相独立地获得X、Y和Z方向的准确位移测量。传感器例如能够是下列几种光学位移传感器(OSD)的任意一种：例如使用光学三角测量法、快门或散光原则的传感器。传感器还可以包括线性可变位移传感器(LVDT)。但是目前优选应变计传感器。除了提供非常准确的位置信息，这种传感器的优势在于：相对低的价格，质量小并且因此对尖端扫描器(tip scanner)的最低基本谐振频率的影响可以忽略，热损耗小并且因此对扫描器漂移具有可以忽略的作用。单独的应变计可以采取任何适合的形式。它们应该具有在期望的动器运动范围上的相对高的敏感性和相对低的噪声。本实施方式中利用半导体应变计，但也可以使用金属膜应变计或根据张力改变阻力的替代设备。适合于此目的的应变计传感器和它们在SPM扫描器中的应用例如在下列文献中公开：美国专利5,641,897和美国公开申请2008/0011064，两者的技术内容通过引用并入本文。

传感器安装装置35的杆32具有连接至基座30的下端36和连接至第一挠性模块40的上端38。类似地，杆34具有连接至基座30的下端42和连接至第二挠性模块40的上端46。虽然只描述了挠性模块40，但应该理解，挠性模块46是类似地构造的。

另外参考图3，挠性模块40具有连接至杆32的上端38上的安装块48。下挠性部50联接至安装块48，或者以其他方式与安装块48一起形成，所述下挠性部大致包括下挠性部构件52、54，所述下挠性部构件52、54从安装块48的顶部平面56以直立方式延伸。因此，根本上来说，表面56形成用于下挠性部50的支撑件。下挠性部构件52、54从表面56向上延伸至用于下挠性部50的上支撑件58。上支撑件58优选与大致平坦块60一体地形成，所述平坦块包括凸起的平坦表面62，平坦表面62上联接有上挠性部64。上挠性部64包括上挠性部构件66、68，上挠性部构件66、68从表面62向上延伸至经由支柱72与顶盖28联接的顶盖块70。如图2中所示，上挠性部66、68相对于下挠性部构件52、54的定位旋转90度。

下挠性部50的挠性元件52、54或“下挠性元件”定位为在使X-Y管14通电以在X方向运动时响应于杆32在X方向的位移而在X方向弯曲。所述运动由安装在下挠性部50上的应变计传感器来感测。更具体地，管12在X方向的运动在基座30的作用下进行，并且从杆32向上转变到下挠性部50。下挠性元件52、54的弯曲通过一组X轴应变计74、76、78和80传送。在优选实施方式中，使用四个应变计，其中一对应变计安装在下挠性部构件52、54的相反侧面上。但是应该理解，可以使用少于四个或多于四个应变计。优选使用在挠性部构件的各个面上的一对应变计，用于补偿温度和在即使各个应变计受到的应变是基本上相同的情况下也可能引起两个应变计读出的应变读数不同的其它因素。上挠性部64还优选包括安装在挠性部构件66、68的相反侧面上的四个应变计82、84、86和88，所述上挠性部64感测杆32在Y方向的位移并且由此感测管式扫描器12在Y方向的位移。因此，在X轴和Y轴各自上提供四个应变计。

如图4中所示，应变计74将读出终端90与终端或桥接触头94相互连接，所述读出终端90安装在安装块48的斜外表面92上，所述终端或桥接触头94安装在用于连接应变计74和应变计76的块60的底面上。应变计74与终端90通过读出线96连接，与桥接触头94通过金属线98连接。类似地，应变计76与终端100连接，终端100也安装在安装块48的斜表面92上并与桥接触头94连接。应变计76与其终端100通过读出线102连接，与桥接触头94通过线104连接。尽管没有在图中示出，但应该理解，应变计78、80同样通过对应的读出线和读出终端连接，并且通过桥接触头串联连接。应该理解的是，桥接触头的使用允许串联使用两个应变计，例如应变计74和76，而不是使用单个应变计。应变计82连接在终端或桥接触头106和读出终端108之间，终端或桥接触头106安装于块60的顶表面，读出终端108安装于顶盖块70的底面。如图3所示，应变计82通过线109与桥接触头106连接，并通过读出线116与读出终端108连接。类似地，应变计84连接在桥接触头106和读出终端112之间，终端或桥接触头106安装于块60的顶表面，读出终端112安装于顶盖块70的底面。应变计84通过线114与桥接触头106连接，并通过读出线116与读出终端112连接。尽管没有在图中示出，但应该理解，应变计86、88同样通过对应的读出线和读出终端连接。因此，类似于X-轴应变计，以两组应变计的形式提供了Y-轴应变计，各组包括互相串联布置的两个应变计。使用串联的两个应变计提供了测量曲线的对称性，并且补偿了前面提到的热偶。此外，通过使用用于x轴和y轴中每个的四个应变计，本发明的这个实施方式提供了惠斯通电桥测量布置，所述布置对应变敏感，但通常对温度变化、震动和可能影响应变测量的其它因素不敏感，或具有最低的敏感度。

挠性部的位置以及因此应变计的位置选择为使得与管12在X方向的位移相关联的弯曲集中在下挠性部50中。类似地，管12在Y方向的位移集中在上挠性部64中。在这点上，层叠的布置有利地将X运动定位在下挠性部50中，并且将Y运动定位在上挠性部64中。另外，在优选实施方式中，类似于杆32的情况，杆34与挠性部相关联。在这点上，对X和Y方向的各个运动进行八个单独的应变测量。另外，各个挠性部构造为用于抵制平面运动，同时在平面时仍提供相对高的顺应性。因此，X和Y方向的力和运动互相分离，以便改善感测准确性。

如前所述，管式扫描器12可在所有三个基本正交的轴上运动。另外参考图5，之前描述的基座30由分别附接于管式扫描器12和杆32、34的外环119和内环130构成。环119和130通过环状开口121隔开，所述环状开口通过挠性元件123桥接，挠性元件123朝向一对挠性板或支柱118、120，所述挠性板或支柱大体是半环形的并且共同地限定容纳管式扫描器12的下工作台16的开口122。缺口124限定在挠性板的相反的端部(应该理解，图中没有示出的另一个缺口与缺口124成180度)之间，并且一对应变计126、128横过缺口124。在缺口124对面的缺口(未示出)优选通过一对应变计(未示出)来桥接。杆32与挠性板120连接并由挠性板120支撑，杆34与挠性板122连接并由挠性板122支撑。

如前面简要提到的，基座30还包括内环130，管式扫描器12固定至内环130并因此在X、Y和Z方向与扫描器12一起运动。挠性元件123将内环130和外环110相互连接，并因此使得外环119的支柱118、120跟随管式扫描器12的运动。在这点上，内环130在Z方向的运动引起挠性元件123的扭转和梁129的挠曲，梁129在支柱118和120相互连接。通过由梁129支撑的应变计126、128检测所述挠曲。各个支柱118、120的中部在X和Y方向随管式扫描器而动，但在Z方向不随管式扫描器而动，因为杆32、34是非常刚性且竖直的，而挠性模块40、46允许扫描器12的端部在X和Y方向上运动。因此，扫描器12作为单一单元在X和Y方向运动，但是当管式扫描器在Z方向运动时基座30将挠曲。这种挠曲力矩集中或定位在基座30的最弱点，最弱点就是应变计126、128所定位的梁129。明显地，Z挠性部吸收了扫描器12的所有运动。由传感器组件和传感器组件的座给管式扫描器12增加的移动质量因此被限制在Z挠性部的运动部。传感器组件对管Z带宽的影响因此是可忽略的。应该理解，Z挠性部包括在扫描器中心线周围对称布置的额外一组挠性部、梁和应变计。

此外，由于杆32、34联接至相应的挠性板120、122，所以杆32、34将准确地随管12在X和Y方向的运动而动。结果是，每个杆和其挠性板的端点一起有效地形成三脚架，所述三脚架在运动学上定位在杆的端部。因此所述杆即使在高频率下也响应于管的位移而精确地运动。因此增加了系统的带宽。

从终端读出在X、Y和Z应变计获得的应变信息，并将应变信息传送到控制站220(图1)，以便获得关于管式扫描器12的端部在X、Y和Z上的实际位置的精确信息。所述信息反过来能够用于各种目的，包括作为对管式扫描器12的反馈来补偿扫描运动中的非线性，所述非线性由于滞后、蠕变和通常对压电材料的非线性响应造成。应变计的布置和它们的运动安装结构使得可以在10kHz或更高带宽下进行位移测量。应变计与管式扫描器12的分离以及挠性部构件彼此之间的分离将噪音降至1nm或更低。在测量中使用应变计还提供了小于10mW数量级的非常低的热损耗。

应该理解，本发明还可以与这样一种显微镜系统一起使用，其具有一个或多个感测样品位移的传感器，并且关于管的位移的信息可以连同关于样品的位移的信息一起使用，以便校正图像数据采集，或者以便在图像数据采集处理期间提供对探针的运动的实时控制，例如在美国专利7,044,007中描述的那样使用FSPM在数据采集期间改变力曲线测量参数，美国专利7,044,007的公开内容通过引用并入本文。

另外，从前面的描述应该理解，本发明的优选实施方式提供了运动感测框架或装置。在这点上，优选的实施方式提供了这样的感测装置，其中对每个自由度有单独的约束，并且所述约束至少基本上互相正交。对于各个运动轴的杆和铰链来说是类似的。与弯曲的刚性比较，杆沿着它的轴是极其刚性的。在杆的端部处提供的铰链(例如挠性部或球窝关节)释放挠曲应力。这种结构提供了很多优点。例如，运动感测框架具有高刚度，并且重量相对轻，这改善了扫描器动力学。另外，应变是非常集中的，这提供了高敏感性，并且因此提供了应变计信号的高分辨率和低噪声。与具有两个或更多个互相对抗或对立的约束的系统相比，运动结构非常稳定。因此克服了与过度约束的系统相关的热漂移问题。

另外，应该理解，本文使用的术语“正交”指的是互相没有关联的约束或自由度。例如，在具有正交的约束布置的运动结构的情况下，在一个方向上例如沿着X轴的约束运动——即，偏转——不会引起在另一个方向上例如沿着Y轴的约束运动。在这点上，本文中所用的术语“正交”不限于特定情况，其中正交的轴被限定为互相成90度。作为替代，约束起作用的方向可互相偏置大于或小于90度。

尽管以上公开了发明人预期的实施本发明的最佳方式，但本发明的实践也不限于此。已经证明，在不偏离基本发明点的精神和范围的情况下可以对本发明的特征进行各种添加、修改和重组。

Claims (20)

1.一种扫描探针显微镜(SPM)，包括：

扫描器，其能够在X-Y平面中运动并支撑探针和样品支撑件中的一个，所述扫描器包括压电管组件，所述压电管组件还能够在垂直于所述X-Y平面的Z方向上运动；

X-轴传感器，其构造成用于感测所述扫描器在X方向上的位移；

Y-轴传感器，其构造成用于感测所述扫描器在Y方向上的位移；

Z-轴传感器，其构造成用于感测所述扫描器的一部分在Z方向的位移；

安装装置，其与所述扫描器联接并且其上以相对于所述扫描器间隔开的关系安装有所述X-轴传感器、所述Y-轴传感器和所述Z-轴传感器，其中所述安装装置包括X-轴挠性部、Y-轴挠性部和Z-轴挠性部，所述X-轴挠性部、所述Y-轴挠性部和所述Z-轴挠性部与所述X-轴传感器、所述Y-轴传感器和所述Z-轴传感器彼此机械地分离，以便所述X-轴传感器、所述Y-轴传感器和所述Z-轴传感器专有地和单独地分别感测X方向、Y方向和Z方向的运动。

2.根据权利要求1的SPM，还包括包含所述X-轴挠性部和所述Y-轴挠性部在内的挠性模块，并且还包括从所述Z-轴挠性部延伸到所述挠性模块的长形构件。

3.根据权利要求2的SPM，还包括与所述Z-轴挠性部隔开的挠性部支撑件，其中所述挠性模块具有联接至所述长形构件的第一端部和联接至所述挠性部支撑件的第二端部。

4.根据权利要求3的SPM，其中所述第一端部包括下挠性部支撑件，所述第二端部包括上挠性部支撑件，并且其中所述X-轴传感器安装在所述下挠性部支撑件上，所述Y-轴传感器安装在所述上挠性部支撑件上，其中所述下挠性部支撑件与所述上挠性部支撑件偏离90度。

5.根据权利要求1的SPM，其中各个传感器均包括应变计组件。

6.根据权利要求2的SPM，其中所述Z-轴挠性部包括第一支柱和第二支柱，所述第一支柱和第二支柱沿着所述管组件的相反侧以与所述管组件间隔开的关系延伸，并且其中所述Z-轴传感器的应变计组件连接在所述第一支柱和所述第二支柱之间。

7.根据权利要求1的SPM，其中所述传感器中的每一个均是应变计传感器组件。

8.一种用于对物体进行成像的扫描探针显微镜(SPM)，包括：

压电管式扫描器，其响应于施加于所述压电管式扫描器的电压而在互相正交的X、Y和Z方向上运动，所述管式扫描器具有工作端，探针和样品支撑件中的一个安装至所述工作端；

传感器安装装置，包括：

基座，所述压电管式扫描器的工作端联接至所述基座，所述基座响应于压电管在Z方向上的位移而发生挠曲，和

杆，所述杆联接至所述基座并以与所述压电管式扫描器邻近且间隔开的方式从所述基座向上延伸，所述杆响应于所述压电管式扫描器在X方向或Y方向的位移而发生挠曲；和

应变计装置，其包括：测量所述探针在Z方向的位移的第一组应变计；测量所述探针在X方向的位移的第二组应变计；测量所述探针在Y方向的位移的第三组应变计，其中所述第一组应变计联接至所述基座，所述第二和第三组应变计联接至所述杆，并且其中第一、第二和第三组应变计彼此机械地分离。

9.根据权利要求8的SPM，还包括与所述第一、第二和第三组应变计互相机械地分离的挠性模块，其中所述挠性模块包括X-轴挠性部和Y-轴挠性部，并且其中所述第二组应变计联接至所述X-轴挠性部，所述第三组应变计联接至所述Y-轴挠性部。

10.根据权利要求9的SPM，其中所述X-轴挠性部和所述Y-轴挠性部相对于彼此竖直地叠置，使得所述管式扫描器的X-轴运动集中在所述X-轴挠性部中并且所述管式扫描器的Y-轴运动集中在所述Y-轴挠性部中。

11.根据权利要求9的SPM，其中所述X-轴挠性部和Y-轴挠性部互相正交地布置。

12.根据权利要求8的SPM，其中所述传感器安装装置的基座包括具有第一和第二端部的第一环形段与具有第一和第二端部的第二环形段，其中所述第一组应变计的第一应变计连接在所述第一环形段和所述第二环形段之间，以便桥接所述第一环形段的第一端部和所述第二环形段的第一端部之间的第一缺口；并且其中所述第一组应变计的第二应变计连接在所述第一环形段和所述第二环形段之间，以便桥接所述第一环形段的第二端部和所述第二环形段的第二端部之间的第二缺口。

13.一种扫描探针显微镜(SPM)，包括：

压电管式扫描器，其能够响应于所施加的电压而在互相正交的X、Y和Z方向上运动；和

运动安装装置，其联接至所述管式扫描器并具有X-轴挠性部、Y-轴挠性部和Z-轴挠性部，所述X-轴挠性部、Y-轴挠性部和Z-轴挠性部分别与所述装置的部分互相机械地分离，以便允许通过相应的X-轴传感器、Y-轴传感器和Z-轴传感器在X、Y和Z各方向上独立地感测所述管式扫描器的位移，而不受来自所述管式扫描器在任意其它方向的运动的干扰。

14.根据权利要求13的SPM，其中所述运动安装装置包括基座，所述基座联接有所述压电管式扫描器的工作端，所述基座具有通过一对应变计相互连接的第一环形段和第二环形段，所述应变计测量所述压电管式扫描器在Z方向的位移。

15.根据权利要求14的SPM，其中所述运动安装装置还包括：与所述基座间隔开的顶盖；和从所述基座向上朝着所述顶盖延伸的杆；以及将所述杆和所述顶盖相互连接的挠性模块，并且其中所述挠性模块包括X-轴挠性部和Y-轴挠性部。

16.根据权利要求15的SPM，还包括联接至所述X-轴挠性部的一对X-轴应变计和联接至所述Y-轴挠性部的一对Y-轴应变计，其中所述X-轴应变计测量所述压电管式扫描器在X方向的位移，所述Y-轴应变计测量所述压电管式扫描器在Y方向的位移。

17.根据权利要求16的SPM，其中所述一对X-轴应变计构造成用于测量热损耗小于50mW的压电管的位移。

18.根据权利要求16的SPM，其中所述X-轴应变计构造成用于测量噪声水平低于5nm的压电管的位移。

19.根据权利要求18的SPM，其中所述X-轴应变计构造成用于测量噪声水平低于1nm的压电管的位移。

20.一种操作扫描探针显微镜(SPM)的方法，包括：

选择性地使压电管式扫描器通电，以便使所述管式扫描器的工作端在互相正交的X、Y和Z方向上平移；

使用传感器组件监测所述管式扫描器的工作端的运动，所述传感器组件与所述压电管式扫描器机械地分离，监测步骤包括：

将所述管式扫描器的工作端的运动转变成与其联接的传感器安装装置的运动，

使用X-轴挠性部、Y-轴挠性部和Z-轴挠性部，将所述传感器安装装置的安装有各个X-轴传感器、Y-轴传感器和Z-轴传感器的部分的运动分别集中至X方向、Y方向和Z方向，和

分别使用所述X-轴传感器、所述Y-轴传感器和所述Z-轴传感器直接监测所述管式扫描器的工作端在X、Y和Z方向的运动，而不受来自所述管式扫描器在任意其它方向的运动的干扰。