CN102735880A - 用于大幅度微纳结构的扫描探针测量系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于大幅度微纳结构测量的扫描探针测量系统及其方法。包括手调微动台、行程为25mm的电机驱动精密位移台、电机驱动器、行程为60μm的长行程压电陶瓷、压电陶瓷驱动器、PID控制电路单元、扫描探针测头、直线编码器、电容式位移传感器等。通过电机驱动的精密位移台和长行程压电陶瓷的两级伺服联动控制，实现大幅度微纳结构表面形貌的扫描探针显微超精密测量。本发明克服了传统扫描探针测量系统纵向测量范围有限、不适用于大幅度微纳结构扫描测量的缺点，提供了一种新型的扫描探针测头系统及其方法，满足了大幅度微纳结构工件表面形貌超精密测量需求。
Description
技术领域
本发明涉及微纳测量领域，尤其涉及一种用于大幅度微纳结构测量的扫描探针测头系统及其方法。
背景技术
目前，在微机械电子系统（MEMS, Micro Electro-Mechanical System）、微流控芯片（Micro-Fluidic Chips）、打印机墨水喷嘴（Ink Jet Nozzle）等微器件设计和制造工艺过程中，越来越广泛地采用了大幅度的微纳结构。通常这种微纳结构高（深）度约为10-500 μm，而且具有狭小间隙和垂直侧壁特征。微纳结构的尺寸精度对微纳器件的性能，如驱动力、使用频率范围、灵敏度和位移量等方面起着重要的作用。例如，采用光刻技术结合电镀工艺制造的大幅度微纳结构射频机械（Radio Frequency MEMS, RF MEMS）器件和电路，对高度的变化量具有很高灵敏度；通过对微喷嘴（Micro Ink Jet Nozzle）的深-宽比参数进行合理的设计，可以使其具有更高的喷墨效率。由于大幅度微纳结构对微纳器件的性能提升有如此重要的作用，为了更好地保证其加工质量，必须对大幅度微纳结构进行超精密测量。而且随着微机械、微光学器件、微电路以及其它各种新型微纳器件在航空航天、生物医疗、精密机电、精细化工等领域越来越广泛，这中测量需求越发迫切，具有及其广阔的应用前景及知识产权保护需求。
由于大幅度微纳结构具有深沟槽、高台阶、陡峭侧壁、复杂拐角等显著的形貌特征，使得待测工件表面与测量探头之间的耦合作用更加复杂，对大幅度微纳器件及其扫描机构的要求更高、对其形貌参数的高精度表征和测量的难度更大。实现对大幅度微纳结构的高精度检测是微纳测量领域最主要的挑战和技术瓶颈之一。虽然用于微纳结构测量方法很多，例如扫描电子显微镜、投射电子显微镜、扫描干涉显微镜、扫描探针显微镜等，但大多囿于仪器本身的特性，其大幅度微纳结构测量能力十分有限。例如，由于扫描电子显微镜的深度效果（纵向）的图像是用立体观察技术和分析技术间接获得的，因此主要用来定性而不是定量观察被测表面的形貌，超真空的工作环境也注定其不具有普适性。接触式探针测量技术测量范围可以达到mm量级、精度高至0.1 nm，但它是一种点扫描测量，测量效率低，接触式测量也容易损伤被测表面。干涉法显微测量技术等光学测量仪器尽管测量范围大、效率高，但是由于受衍射效应及光学视角的影响，不具备测量具有垂直侧壁特征的大幅度微纳结构。
相比之下，扫描探针显微测量方法仍然是三维微纳结构测量最直接、最能如实反映被测工件微纳结构的有效工具。但如何在保持其高分辨率的同时，提高其对大幅度微纳结构的测量能力是亟待解决的问题。本发明克服了传统的扫描探针显微镜纵向扫描行程小于10 μm，不适用于幅度变化大于100 μm微纳结构工件表面形貌的缺点，发明了一种大幅度微纳结构测量的扫描探针测头机构并开发了相应的方法，可适用于大幅度微纳结构的扫描探针超精密测量。
发明内容
本发明的目的是为了克服传统扫描探针测量系统纵向测量范围有限、不适用于大幅度微纳结构扫描测量的缺点，提供一种用于大幅度微纳结构测量的扫描探针测头系统及其方法。
用于大幅度微纳结构的扫描探针测量系统包括探针测头装置、压电控制单元和电机控制单元，探针测头装置包括手调微动台、行程为25mm的电机驱动精密位移台、压电陶瓷夹持机构、行程为60 μm的长行程压电陶瓷、扫描探针测头；手调微动台上设有行程为25mm的电机驱动精密位移台，行程为25mm的电机驱动精密位移台上设有压电陶瓷夹持机构，行程为60 μm的长行程压电陶瓷上端固定在压电陶瓷夹持机构上，行程为60 μm的长行程压电陶瓷下端设有扫描探针测头；压电控制单元包括顺次连接的PID控制电路单元、压电陶瓷驱动器、电容式位移传感器，其中PID控制电路单元上设有第一输入口和第二输入口，第一输入口与扫描探针测头相连，第二输入口与参考隧道电流值相连，压电陶瓷驱动器设有第一输出口，第一输出口与行程为60 μm的长行程压电陶瓷相连，电机控制单元包括顺次连接的电机驱动器、线性编码器，电机驱动器上设有第二输出口，线性编码器上设有第三输入口，第二输出口和第三输入口分别与行程为25mm的电机驱动精密位移台相连。
用于大幅度微纳结构的扫描探针测量方法的步骤如下：
1）启动时，给PID控制电路单元设定PID参考隧道电流信号值，行程为25mm的电机驱动精密位移台由电机控制单元控制、通过压电控制单元调节扫描探针测头对准到待测工件的表面，直至扫描探针测头与待测工件之间产生隧道电流信号，PID控制电路单元控制压电陶瓷驱动器驱动行程为60 μm的压电陶瓷，使扫描探针测头与待测工件表面之间维持恒定间隙；
2）扫描时，当设置的参考隧道电流信号值与所检测的隧道电流信号之差在0.05以内时，行程为25mm的电机驱动精密位移台保持静止，只由压电控制单元控制扫描探针测头扫描跟踪待测工件的表面形貌，电容式位移传感器实时记录行程为60 μm的长行程压电陶瓷的位移值。当设置的参考隧道电流信号值与所检测的隧道电流信号之差大于0.05时，电机驱动精密位移台向下降方向运动，直至所检测的隧道电流信号等于设置的参考隧道电流信号值，线性编码器实时记录电机驱动精密位移台的位移值，电容式位移传感器实时记录行程为60 μm的长行程压电陶瓷的位移值。当设置的参考隧道电流信号值与所检测的隧道电流信号之差小于-0.05时，行程为25mm的电机驱动精密位移台向提升方向运动，直至所检测的隧道电流信号等于设置的参考隧道电流信号值，线性编码器实时记录行程为25mm的电机驱动精密位移台的位移值，电容式位移传感器实时记录行程为60 μm的压电陶瓷的位移值。
3）将实时记录行程为25mm的电机驱动精密位移台的位移值与行程为60 μm的长行程压电陶瓷的位移数据相减，作为待测工件表面的Z向形貌起伏数据，实现大幅度微纳结构的测量。
本发明与传统的扫描探针测头系统的主要区别及优势在于：传统的扫描探针显微镜测头系统是采用三维压电陶瓷管作为测头伺服驱动器，其伺服行程一般在10 μm以下，因此其所能测量的微纳结构的最大幅度变化小于10 μm，不能够满足微纳测量技术发展需求。针对这种技术缺陷，本发明提出的用于大幅度微纳结构测量的扫描探针测头系统采用长行程压电陶瓷作为伺服机构，配以电机驱动精密位移台，通过电机驱动的精密位移台和长行程压电陶瓷的两级伺服联动控制，可实现大幅度微纳结构表面形貌的扫描探针显微超精密测量，满足了微机械、微光学器件、微电路以及其它各种新型微纳器件等的超精密测量需求。
附图说明
图1是用于大幅度微纳结构测量的扫描探针测量系统示意图；
图2(a)是用于大幅度微纳结构测量的扫描探针测头装置机械结构主视图；
图2(b)是用于大幅度微纳结构测量的扫描探针测透装置机械结构侧视图；
图3是用于大幅度微纳结构测量的扫描探针测量方法控制流程图。
图中，手调微动台1、行程为25mm的电机驱动精密位移台2、压电陶瓷夹持机构3、行程为60 μm的长行程压电陶瓷4、扫描探针测头5、待测样品6。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详述。
如图1 所示，用于大幅度微纳结构的扫描探针测量系统包括探针测头装置、压电控制单元和电机控制单元，探针测头装置包括手调微动台1、行程为25mm的电机驱动精密位移台2、压电陶瓷夹持机构3、行程为60 μm的长行程压电陶瓷4、扫描探针测头5；手调微动台1上设有行程为25mm的电机驱动精密位移台2，行程为25mm的电机驱动精密位移台2上设有压电陶瓷夹持机构3，行程为60 μm的长行程压电陶瓷4上端固定在压电陶瓷夹持机构3上，行程为60 μm的长行程压电陶瓷4下端设有扫描探针测头5；压电控制单元包括顺次连接的PID控制电路单元7、压电陶瓷驱动器8、电容式位移传感器9，其中PID控制电路单元7上设有第一输入口15和第二输入口12，第一输入口15与扫描探针测头5相连，第二输入口12与参考隧道电流值相连，压电陶瓷驱动器8设有第一输出口13，第一输出口13与行程为60 μm的长行程压电陶瓷4相连，电机控制单元包括顺次连接的电机驱动器10、线性编码器11，电机驱动器10上设有第二输出口14，线性编码器11上设有第三输入口16，第二输出口14和第三输入口16分别与行程为25mm的电机驱动精密位移台2相连。
用于大幅度微纳结构的扫描探针测量方法的步骤如下：
1）启动时，给PID控制电路单元7设定PID参考隧道电流信号值，行程为25mm的电机驱动精密位移台2由电机控制单元控制、通过压电控制单元调节扫描探针测头5对准到待测工件6的表面，直至扫描探针测头5与待测工件6之间产生隧道电流信号，PID控制电路单元7控制压电陶瓷驱动器8驱动行程为60 μm的压电陶瓷4，使扫描探针测头与待测工件6表面之间维持恒定间隙；
2）扫描时，当设置的参考隧道电流信号值与所检测的隧道电流信号之差在0.05以内时，行程为25mm的电机驱动精密位移台2保持静止，只由压电控制单元控制扫描探针测头5扫描跟踪待测工件6的表面形貌，电容式位移传感器9实时记录行程为60 μm的长行程压电陶瓷4的位移值。当设置的参考隧道电流信号值与所检测的隧道电流信号之差大于0.05时，电机驱动精密位移台2向下降方向运动，直至所检测的隧道电流信号等于设置的参考隧道电流信号值，线性编码器11实时记录电机驱动精密位移台2的位移值，电容式位移传感器9实时记录行程为60 μm的长行程压电陶瓷4的位移值。当设置的参考隧道电流信号值与所检测的隧道电流信号之差小于-0.05时，行程为25mm的电机驱动精密位移台2向提升方向运动，直至所检测的隧道电流信号等于设置的参考隧道电流信号值，线性编码器11实时记录行程为25mm的电机驱动精密位移台2的位移值，电容式位移传感器9实时记录行程为60 μm的压电陶瓷4的位移值。
3）将实时记录行程为25mm的电机驱动精密位移台2的位移值与行程为60 μm的长行程压电陶瓷4的位移数据相减，作为待测工件6表面的Z向形貌起伏数据，实现大幅度微纳结构的测量。
Claims (2)
1.一种用于大幅度微纳结构的扫描探针测量系统，其特征在于包括探针测头装置、压电控制单元和电机控制单元，探针测头装置包括手调微动台（1）、行程为25mm的电机驱动精密位移台（2）、压电陶瓷夹持机构（3）、行程为60 μm的长行程压电陶瓷（4）、扫描探针测头（5）；手调微动台（1）上设有行程为25mm的电机驱动精密位移台（2），行程为25mm的电机驱动精密位移台（2）上设有压电陶瓷夹持机构（3），行程为60 μm的长行程压电陶瓷（4）上端固定在压电陶瓷夹持机构（3）上，行程为60 μm的长行程压电陶瓷（4）下端设有扫描探针测头（5）；压电控制单元包括顺次连接的PID控制电路单元（7）、压电陶瓷驱动器（8）、电容式位移传感器(9)，其中PID控制电路单元(7)上设有第一输入口(15)和第二输入口(12)，第一输入口(15)与扫描探针测头(5)相连，第二输入口(12)与参考隧道电流值相连，压电陶瓷驱动器（8）设有第一输出口（13），第一输出口（13）与行程为60 μm的长行程压电陶瓷（4）相连，电机控制单元包括顺次连接的电机驱动器（10）、线性编码器(11)，电机驱动器(10)上设有第二输出口(14)，线性编码器(11)上设有第三输入口(16)，第二输出口(14)和第三输入口(16)分别与行程为25mm的电机驱动精密位移台(2)相连。
2.一种使用如权利要求1所述系统的用于大幅度微纳结构的扫描探针测量方法，其特征在于它的步骤如下：
1）启动时，给PID控制电路单元(7)设定PID参考隧道电流信号值，行程为25mm的电机驱动精密位移台（2）由电机控制单元控制、通过压电控制单元调节扫描探针测头（5）对准到待测工件（6）的表面，直至扫描探针测头（5）与待测工件（6）之间产生隧道电流信号，PID控制电路单元(7)控制压电陶瓷驱动器(8)驱动行程为60 μm的压电陶瓷（4），使扫描探针测头与待测工件（6）表面之间维持恒定间隙；
2）扫描时，当设置的参考隧道电流信号值与所检测的隧道电流信号之差在0.05以内时，行程为25mm的电机驱动精密位移台（2）保持静止，只由压电控制单元控制扫描探针测头（5）扫描跟踪待测工件（6）的表面形貌，电容式位移传感器(9)实时记录行程为60 μm的长行程压电陶瓷（4）的位移值；
当设置的参考隧道电流信号值与所检测的隧道电流信号之差大于0.05时，电机驱动精密位移台（2）向下降方向运动，直至所检测的隧道电流信号等于设置的参考隧道电流信号值，线性编码器(11)实时记录电机驱动精密位移台（2）的位移值，电容式位移传感器（9）实时记录行程为60 μm的长行程压电陶瓷（4）的位移值；
当设置的参考隧道电流信号值与所检测的隧道电流信号之差小于-0.05时，行程为25mm的电机驱动精密位移台（2）向提升方向运动，直至所检测的隧道电流信号等于设置的参考隧道电流信号值，线性编码器(11)实时记录行程为25mm的电机驱动精密位移台（2）的位移值，电容式位移传感器（9）实时记录行程为60 μm的压电陶瓷（4）的位移值；
3）将实时记录行程为25mm的电机驱动精密位移台（2）的位移值与行程为60 μm的长行程压电陶瓷（4）的位移数据相减，作为待测工件（6）表面的Z向形貌起伏数据，实现大幅度微纳结构的测量。
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