CN104020317B - 双端音叉扫描探针测头系统及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双端音叉扫描探针测头系统及其测量方法，由刚性支承、双端音叉和钨探针构成。刚性支承为整个扫描探针测头系统的刚性支承件，用于固定整个测头机构，并对双端音叉的一个叉端形成全约束。双端音叉的一个叉端连接于刚性支承底面，另一叉端作为自由端且下方底面正中间固定设置大长径比钨探针。本发明方法采用四周分割法在放置电极，激励双端音叉两个叉臂沿厚度方向反相弯曲振动。设置钨探针在竖直Z方向上以接触模式与试样碰触，检测叉臂谐振信号的变化以表征所述钨探针尖端与试样表面的碰触程度。本发明可用于对软材料等表面的高分辨率、非破坏性测量，并可用于对微沟槽、微台阶等具有大深宽比微器件的表面形貌扫描。
Description
技术领域
本发明涉及微纳米测头领域，具体是一种双端音叉扫描探针测头系统及其测量方法。
背景技术
纳米器件、生物材料等的特征尺寸及物理特性要求表面形貌测量不仅要具有纳米量级的测量分辨率，还要求测量力尽可能小。以原子力显微镜(AFM)等为代表的扫描探针显微镜(SPM)具有纳米级解析度，是目前广泛应用于微观尺度表面形貌测量的高分辨率仪器。但测头的探针有效长度仅数微米，不适合大深宽比微台阶、微沟槽等微结构表面的测量。因此为了解决这个问题，还要求扫描测头探针的典型尺寸具有较大的有效长度。
高分辨率对应于高灵敏度，即要求微纳米测头系统应具有较高品质因数，同时测头系统的稳定性，包括结构稳定性和测量过程稳定性，是实现有效测量的必要因素。现有微纳米测头一般有接触式测头和非接触式测头。二者在各自测量领域各有优点，但受限于自身结构或物理特性又各有不足。
发明内容
本发明的目的是提供一种双端音叉扫描探针测头系统及其测量方法，以解决现有技术存在的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
双端音叉扫描探针测头系统，其特征在于：包括有刚性支承和双端音叉，所述双端音叉由两个叉端和连接两个叉端的叉臂对构成，双端音叉的一个叉端连接在刚性支承底面，另一各叉端为自由端；叉臂对中两个叉臂分别垂直于刚性支承底面并沿竖向并行设置；双端音叉的自由端下方底面正中间固定有钨探针。
所述的双端音叉扫描探针测头系统，其特征在于：所述双端音叉的叉臂对四周设置有电极，通过电极激励双端音叉谐振。
所述的双端音叉扫描探针测头系统，其特征在于：双端音叉的振动方式为，在电极的激励下两个叉臂沿厚度方向反相弯曲振动。
所述的双端音叉扫描探针测头系统，其特征在于：双端音叉由石英晶体制备，切型选择与振动模式及工作频率相关，弯曲振动模式下XY切型对应频率范围1～80KHz，NT切型对应频率范围40～100KHz；所述双端音叉选择XY切型、5°切角，且叉臂长度沿石英晶体y轴方向，宽度沿石英晶体z方向，厚度沿石英晶体x轴方向，即采用(xyt)5°切型切角结构。
所述的双端音叉扫描探针测头系统，其特征在于：双端音叉的谐振频率与其几何尺寸相关，即可通过改变叉臂的长度、宽度、厚度调节双端音叉的谐振频率及力频系数，所述双端音叉谐振频率以及力频系数与其几何尺寸的相关关系式分别为：其中f为双端音叉的基频，S为其力频系数，l、w、t分别为两个叉臂的长度、宽度、厚度，m为与边比有关的系数，ρ为石英材料的密度，s′22为石英的弹性柔顺常数。
所述的双端音叉扫描探针测头系统，其特征在于：双端音叉两个叉臂上电极的设置采用叉臂四周分割法布置电极方式，使沿叉臂长度方向的电极在叉臂主面和侧面上的零应力点波节处改变极性。
一种基于双端音叉扫描探针测头系统的扫描测量方法，其特征在于：通过叉臂四周分割法布置电极，激励双端音叉的两个叉臂沿厚度方向反相弯曲振动；设置所述双端音叉自由端底面固定设置的钨探针在竖直Z方向上以接触模式与试样碰触，检测双端音叉谐振信号的变化以表征所述钨探针尖端与试样表面的碰触程度。
所述的扫描测量方法，其特征在于：所述双端音叉对轴向力极为敏感，故双端音叉扫描探针测头系统在Z向具有极高灵敏度。
所述的扫描测量方法，其特征在于：所述谐振信号为双端音叉的谐振频率或谐振相位。
所述的扫描测量方法，其特征在于：采用钨探针与试样表面间歇接触的逐点扫描测量方法，或钨探针与试样表面持续接触的逐行扫描测量方法。
本发明利用石英晶体的压电效应、双端音叉的结构对称性和高品质因数特性、谐振状态双端音叉对轴向微小外力的高敏感特性，制备石英晶体材料的双端音叉，与大长径比钨探针结合，构建双端音叉扫描探针测头系统。叉臂四周分割法布置电极，激励双端音叉的两个叉臂沿厚度方向反相弯曲振动，双端音叉自由端底面固定设置的钨探针在竖直Z方向上以接触模式与试样轻触，通过检测双端音叉的谐振信号(谐振频率或谐振相位)的变化表征钨探针尖端与试样表面的碰触程度，实现对试样表面微观形貌的扫描测量。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、本发明采用整个双端音叉作为钨探针的悬臂梁，同时作为轴向微力传感器，并将钨探针固定设置于双端音叉自由端下方底面正中间，整体结构大大简化，且避免了结构不对称造成的能量泄露、品质因数降低等问题，保证了结构的对称性、系统稳定性及紧凑性。
2、本发明采用的双端音叉，其谐振频率与自身几何尺寸相关，即可通过改变叉臂的长度、宽度、厚度调节双端音叉的谐振频率及力频系数，使测头系统可满足可能的应用场合特定频率要求，具有灵活性。
3、本发明双端音叉采用了石英晶体的最优切型切角结构(xyt)5°，保证了双端音叉测头零温度系数的同时具有较大压电常数、较小的交叉弹性柔顺系数，使双端音叉测头具备保证系统功能实现的各项特征参数。
4、本发明的测量方法是采用叉臂四周分割法布置电极，激励双端音叉的两个叉臂沿厚度方向反相弯曲振动，两个叉臂的振动相差180°，在它们的合并区域产生的应力和力矩方向相反,互相抵消,因此整个结构通过固定连接端与外界的能量耦合小,具有自隔振特性，振动系统的能量损失小,具有较高的品质因数，保证了测头系统在谐振状态下对微小轴向力的高灵敏性，即最终实现对试样表面的高分辨率扫描测量。
5、本发明采用检测钨探针与试样表面接触过程中双端音叉叉臂的谐振信号(谐振频率或谐振相位)的变化作为反馈量，省去了A/D转换环节，后续信号处理部分大大简化，使测头系统功能具有易实现性。且采用钨探针与试样表面间歇接触的逐点扫描测量方法，每扫描一点均退回试样，既保护钨探针针尖免受损伤，又保证了低测量力的要求，可用于对软材料等表面的非破坏性测量；或钨探针与试样表面持续接触的逐行扫描测量方法，每扫描一行退回试样，保证了测量的高精度。
6、本发明采用具有大长径比的钨探针，可用于对微沟槽、微台阶等具有大深宽比微器件的表面形貌扫描。
7、本发明采用的双端音叉理论上具有基频、二次泛音、三次泛音振动模态，采用本发明设计的结构，激励双端音叉两个叉臂于二次或三次泛音振动模，可用于特定场合实现接触式高阶扫描测量。
附图说明
图1为本发明整个系统结构工作示意图。
图2为本发明双端音叉石英晶片切型方位示意图。
图3为本发明双端音叉外观示意图。
图4为本发明双端音叉基频厚度弯曲振动模态示意图。
图5为本发明双端音叉叉臂谐振状态频率及与试样轻触时频率偏移示意图。
图6为本发明双端音叉二次、三次泛音振动模态示意图，其中：
图6a为本发明双端音叉二次泛音振动模态示意图，图6b为本发明双端音叉三次泛音振动模态示意图。
具体实施方式
如图1所示，双端音叉扫描探针测头系统，包括有刚性支承1和双端音叉2，双端音叉2由两个叉端21和连接两个叉端的叉臂对构成，双端音叉2的一个叉端21连接在刚性支承1底面，另一个叉端21为自由端；叉臂对中两个叉臂22分别垂直于刚性支承1底面并沿竖向并行设置；双端音叉1自由端下方底面正中间固定有钨探针3。
双端音叉2的叉臂对四周设置有电极4，通过电极4激励双端音叉1谐振。
双端音叉2的振动方式为，在电极4的激励下两个叉臂22沿厚度方向反相弯曲振动。
双端音叉2由石英晶体制备，切型选择与振动模式及工作频率相关，弯曲振动模式下XY切型对应频率范围1～80KHz，NT切型对应频率范围40～100KHz；所述双端音叉2选择XY切型、5°切角，且叉臂长度沿石英晶体y轴方向，宽度沿石英晶体z方向，厚度沿石英晶体x轴方向，即采用(xyt)5°切型切角结构，如图2所示。
双端音叉2的谐振频率与其几何尺寸相关，即可通过改变叉臂22的长度、宽度、厚度调节双端音叉2的谐振频率及力频系数。所述双端音叉2谐振频率以及力频系数与其几何尺寸的相关关系式分别为： 其中f为双端音叉2的基频，S为其力频系数，l、w、t分别为两个叉臂22的长度、宽度、厚度，m为与边比有关的系数，ρ为石英材料的密度，s′22为石英的弹性柔顺常数。
双端音叉2两个叉臂22上电极4的设置采用叉臂四周分割法布置电极方式，使沿叉臂22长度方向的电极在叉臂22主面23和侧面24上的零应力点波节处改变极性，如图3所示。
一种基于双端音叉扫描探针测头系统的扫描测量方法，通过叉臂22四周分割法布置电极4，激励双端音叉2两个叉臂22沿厚度方向反相弯曲振动；设置所述双端音叉2自由端底面固定设置的钨探针3在竖直Z方向上以接触模式与试样5碰触，检测双端音叉2谐振信号6的变化以表征所述钨探针3尖端与试样5表面的碰触程度。
双端音叉2对轴向力极为敏感，故双端音叉描探针测头系统在Z向具有极高灵敏度。
谐振信号6为双端音叉2的谐振频率或谐振相位。
采用钨探针3与试样5表面间歇接触的逐点扫描测量方法，或钨探针3与试样5表面持续接触的逐行扫描测量方法。
参见图1，本发明双端音叉扫描探针测头系统主要由刚性支承1、双端音叉2和钨探针3构成。刚性支承1为整个扫描探针测头系统的刚性支承件，用于固定整个测头机构，对双端音叉2的一个叉端21形成全约束。双端音叉2的另一个叉端21为自由端，该叉端21底面正中间下方固定设置大长径比钨探针3。其中双端音叉2由一定切型的石英晶体制备而成，整个双端音叉2作为钨探针3的悬臂梁，同时作为轴向微力传感器。
参见图2，设置双端音叉2叉臂22长度沿石英晶体y轴方向，宽度沿石英晶体z方向，厚度沿石英晶体x轴方向，晶片绕厚度沿逆时针方向旋转即双端音叉2采用(xyt)5°切型切角结构石英晶体制备而成。
参见图3，双端音叉2的叉臂22长度、宽度、厚度分别为l、w、t。设置双端音叉2表征叉臂22宽度w和长度l的上下表面为叉臂22的主面23，表征叉臂22厚度t和长度l的左右表面为叉臂22的侧面24。以叉臂22四周分割法布置电极4，且使沿叉臂22长度l方向的电极4在叉臂22主面23和侧面24上的零应力点波节处改变极性，参见图1，双端音叉2叉臂22主面23上黑色标识电极41与白色标识电极42极性相反；以同样方法设置叉臂22侧面24电极4，激励双端音叉2的两个叉臂22沿厚度方向反相弯曲振动。参见图4，为本发明双端音叉扫描探针测头系统主诉以基频谐振振动示意图，双端音叉2的两个叉臂22在电极4激励下沿厚度t方向产生等频等幅的反相弯曲振动。
一种基于双端音叉扫描探针测头系统的扫描测量方法如下：
水平放置试样5。采用叉臂22四周分割法设置电极4，激励双端音叉2两个叉臂22沿厚度t方向等频等幅反相弯曲振动。设置双端音叉2作为自由端的叉端21底面固定设置的钨探针3在竖直Z方向上以接触模式与试样5轻触。根据谐振双端音叉2对轴向微力极为灵敏的特性，当钨探针3尖端与试样5表面发生轻触，由于钨探针3尖端与试样5表面之间的微观力场作用，产生作用于双端音叉2的轴向负载，导致双端音叉2叉臂22的谐振信号6改变，即谐振频率及谐振相位的偏移。参见图5，双端音叉2叉臂22谐振状态频率及与试样5轻触时频率偏移示意图，当钨探针3尖端与试样5表面之间的微观力场进入引力区域，谐振频率左移，由自由谐振频率ω0减小为ω1，谐振频率偏移Δω1；当钨探针3尖端与试样5表面之间的微观力场进入斥力区域，谐振频率右移，由自由谐振频率ω0增大为ω2，谐振频率偏移Δω2；故检测双端音叉2叉臂22谐振信号6的变化作为反馈量，以表征钨探针3尖端与试样5表面的碰触程度，结合后续信号处理电路及控制系统，实现对试样5表面微观形貌的扫描测量。设置测头系统工作时，X方向为水平面内横向方向。采用钨探针3与试样5表面间歇接触的逐点扫描测量方法，每扫描一点均使试样5沿Z向退回初始位置，再控制试样5沿X方向前进一个行步进量进行下一点接触扫描；或钨探针3与试样5表面持续接触的逐行扫描测量方法，每扫描一行使试样5沿Z向退回初始位置，再沿Y向前进一个列步进量进行下一行接触扫描。
本发明采用的双端音叉2理论上具有基频、二次泛音、三次泛音振动模态，本发明双端音叉扫描探针测头系统主诉基于基频的扫描测量。参见图6a、图6b，分别为双端音叉2在二次泛音、三次泛音振动模态下两个叉臂22沿厚度t方向等频等幅反相弯曲振动示意图，采用本发明设计的结构，激励双端音叉2两个叉臂22于二次或三次泛音振动模，可用于特定场合实现接触式高阶扫描测量。
Claims (6)
1.双端音叉扫描探针测头系统的扫描测量方法，其特征在于：双端音叉扫描探针测头系统包括有刚性支承和双端音叉，所述双端音叉由两个叉端和连接两个叉端的叉臂对构成，双端音叉的一个叉端连接在刚性支承底面，另一个叉端为自由端；叉臂对中两个叉臂分别垂直于刚性支承底面并沿竖向并行设置；双端音叉的自由端下方底面正中间固定有钨探针；
其扫描测量方法：通过叉臂四周分割法布置电极，激励双端音叉两个叉臂沿厚度方向反相弯曲振动；设置所述双端音叉自由端底面固定设置的钨探针在竖直Z方向上以接触模式与试样碰触，检测双端音叉谐振信号的变化以表征所述钨探针尖端与试样表面的碰触程度。
2.根据权利要求1所述的扫描测量方法，其特征在于：双端音叉由石英晶体制备，切型选择与振动模式及工作频率相关，弯曲振动模式下XY切型对应频率范围1~80KHz，NT切型对应频率范围40~100KHz；所述双端音叉选择XY切型、5º切角，且叉臂长度沿石英晶体y轴方向，宽度沿石英晶体z方向，厚度沿石英晶体x轴方向，即采用(xyt) 5º切型切角结构。
3.根据权利要求1所述的扫描测量方法，其特征在于：双端音叉的谐振频率与其几何尺寸相关，即可通过改变叉臂的长度、宽度、厚度调节双端音叉的谐振频率及力频系数，所述双端音叉谐振频率以及力频系数与其几何尺寸的相关关系式分别为：，；其中f为双端音叉的基频，S为其力频系数，l、w、t分别为音叉叉臂长度、宽度、厚度，m为与边比有关的系数，ρ为石英材料的密度，s΄22为石英的弹性柔顺常数。
4.根据权利要求1所述的扫描测量方法，其特征在于：双端音叉两个叉臂上电极的设置采用叉臂四周分割法布置电极方式，使沿叉臂长度方向的电极在叉臂主面和侧面上的零应力点波节处改变极性。
5.根据权利要求1所述的扫描测量方法，其特征在于：所述谐振信号为双端音叉的谐振频率或谐振相位。
6.根据权利要求1所述的扫描测量方法，其特征在于：采用钨探针与试样表面间歇接触的逐点扫描测量方法，或钨探针与试样表面持续接触的逐行扫描测量方法。
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20170517 |