CN1054431C - 具有原子分辨率的精密定位装置 - Google Patents

Abstract

提供一种精密定位装置，其包括感应致动器(2，3)。与公知的感应致动器所得到的1μm精度相比，其定位精度远低于1nm。在优选实施例中，磁致动器的移动由机械装置(5，6，35)进行限制或减小，这样就要增加移动致动器所需的电流的量。该精密定位器可以在扫描探头显微镜技术领域中使用。

Description

具有原子分辨率的精密定位装置

本发明涉及一种具有原子分辨率的精密定位装置，尤其是涉及扫描探头技术或存贮装置。

发明背景

本发明的一个技术领域是从H.Rohver和G.Binnig在1982年发现的Scanning Tunneling Microscope(STM)产生出来的扫描探头技术领域。在专利US-A-4343993中记载的STM的例子引起了种类繁多的仪器的发展。设计这些仪器是为了对放置在仪器顶端的表面和/或原子或分子以100nm到O.1nm的原子分辨率进行检验和控制。扫描探头仪器的一个共同特点是具有一个在其顶点曲率半径为100nm或更小的细尖，即探头。使用下面将详细说明的粗定位和细定位单元用探头对样品的表面进行扫描。将由STM获得的技术与其极限分辨率一起实现在原理上是简单的，并导致现在广泛使用处理所有类型亚微观现象的成像和表面分析的科学仪器。

除STM之外，扫描探头技术还包括G.Binnig 1986年发明(US-A-4724318)并随后发展(例如参见US-A-5144833)的AtomicForce Microscope(AFM)。由H.J.Mamin等人在Appl.phys.Lett 55(1989)，pp.318ff上记载的Magnetic Force Microscopy已经得到了磁畴的图像。由US-A-5065103专利已知Scanning CapacitanceMicroscope(扫描电容显微镜)，从US-A-4646573已知ScanningAcoustic Microscope(扫描声学显微镜)，从US-A-4747698已知Seanning Thermal Profiler(扫描热轮廓测绘仪)。扫描探头技术还可以用于分辨率不受衍射限制的光学显微镜。在这些所谓例如由US-A-4604520记载的Scanning Near-field Optical Microscope(扫描近场光学显微镜)中，探头主要包括一个波导，用于使光与一个微孔形成端接，这个微孔在样品表面附近的范围内接收或发射光。对本发明来说，把所有这些以及相关技术都称为扫描探头式显微术(SPM)。

但是，SPM完全取决于对探头或探针相对样品表面的定位和扫描的精密扫描系统。按照习惯，将在平行于表面的平面内的方向标为‘x’和‘y’，而将垂直于这个平面的方向通常称为‘Z轴’。很明显，扫描系统对扫描探头装置的分辨率有决定性的影响。为获得原子分辨，必须能够以0.1nm或更小的精度实现对位移的控制，Z方向对此的需要要强于其它方向。关于扫描探头装置的理想扫描系统应该同时具有在x，y平面内大的扫描范围和在所有三维，而不是只在Z方向实现探针相对样品位置的精确控制。由于很难满足这两个要求，所以，所有已知的SPM装置具有两级定位系统：粗定位器移动样品靠近探头，直到距离范围能够被精细扫描器所覆盖。该精细扫描器单独提供所需的精度，因此，能够以原子分辨率进行成像和控制。许多不同的方法和技术已被作为粗定位器使用，包括使用操纵杆或差动弹簧的手动办法，压电行走机械(coscse)，或与样品或扫描平台耦接的步进电机。例如，在欧洲专利EP-B-0290522和美国专利US-A-4947042中记载了磁粗定位器。最好的粗定位器，特别是在由干涉仪控制的时候，可获得几十分之一微米的定位置精度，由此，和精细扫描器的扫描范围几乎没有重叠。

从很早开始的扫描探头显微术的精密扫描技术集中为使用压电器件。例如从专利US-A-4520570和G.Binnig与D.P.E.Smith在Rev.Sci.Instruments 57(1986)，p.1688上公开的“Single tubethreedimensional scanner for scanning tunneling microscopy”已知精密扫描平台的例子。C.Gerber和O.Marti还在IBM’S TechnicalDisclosure Bulletin Vol.27，NO.11，April1985，p.6373上提出了磁致伸缩扫描器，其中用磁致伸缩材料棒取代压电器件。与压电器件在电场中的行为相似，这种材料在磁场的作用下膨胀和收缩。对于本发明的范围，重要的是要注意到，即使那些提供以磁性为基础的粗定位平台的技术，例如EP-B-0290522和US-A-4947042，也同样要依靠压电精密扫描器。

虽然压电精密扫描器是具有多种用途的仪器，但是，其也表现出一些缺点。首先，它需要一个复杂和精确的控制系统。向附装在压电材料上的电极施加所需的电压。其次，需要获得2到5nm/v左右范围的伸长，即需要1000V电压来获得2到5微米的扫描范围，其对所有具体目的都限于n个微米的范围。此外，提高电压会使非线性影响变得很明显，从而使压电材料的伸长不再与所施加的电压成比例。

上述例子意在说明扫描探头技术的广泛使用，但不覆盖本发明可能的所有应用。例如，普通技术人员已知象硬盘这样的普通存储装置的存储密度直接依赖于所能控制的写/读头相对于存储介质的位置的精度。很明显，用便宜、精确的方法以原子分辨率控制写/读头的位置在这个技术领域具有现实的影响。

因此，本发明的目的是提供一种可靠、精确和易于使用的精密定位装置，特别适合扫描探头仪器和数字式数据存储装置。本发明的一个特定目的是提供这样一种精密扫描器，其能够以至少100nm，最好是100nm到0.01nm或甚至10nm到0.1nm的精度或分辨率控制和改变样品或存贮介质的表面相对探针或读/写头的位置。

发明概述

本发明的第一个特点是精密定位器包括一个基于已知的磁感应/磁势原理的致动器。磁感应作用的特征在于磁场或磁场的变化对在磁场中的磁体，载流导体或其它磁化材料产生作用。这个原理的公知应用的例子有感应扩音器和话筒。感应或磁通力的一种更先进的应用是用作硬盘读/写头的定位系统。但是，如上所述，这些应用在精度或分辨率上与本发明的装置至少相差一个数量级。感应致动器最好包括电导体装置，如螺旋管，和/或永磁体。本发明与已知的磁阻位置控制器中改变磁体尺寸的磁阻作用不同，是用整体移动来代替感应致动器的移动部件。使用感应致动器的优点是施加低电压就能够很容易地移动，而已知的压电类技术所要求的电压会对没有经验的使用者产生危险。感应致动器的部件便宜而且适于批量生产。

可以认为本发明的发明点不是想将电子控制的灵敏度提高到使感应致动器能以原子精度移动的水平。而是代之以用机械装置将用于使探针和样品彼此相对移动的电流量增加或提高到由普通的电子设备就能容易检测到的水平。换句话说，由减速装置代替电子放大器。减速装置基于杠杆系统或阻尼或摩擦增加元件，以降低感应致动器运动的速度。在这两种情况下，都要大量增加移动探头或样品所需的电流量。

因此，本发明的另一特点是感应致动器包括阻尼装置。与感应致动器试图将阻尼降低到最小的公知用途相比，本发明引入了可控的阻尼机构。为获得所需的运动，可有效地增大阻尼，由此来增加提供给致动器的功率。功率与提供给致动器的电流直接成比例。因此，应把所有相关的控制和致动信号，如电流和电压增加到能够易于控制的程度。这个特点具有一个附加效果，就是降低了所包含的电路，如反馈回路、放大器等的所需精度。

作为本发明这种变化的一个优选实施例，感应致动器的移动部分通过一种高粘滞性介质与致动器的承载或支承结构，尤其是致动器的固定部分相耦接。这种粘滞耦接具有阻尼效果，对于相等的距离来说，与自由移动致动器相比，这种阻尼效果增加了向感应致动器提供的功率量。这种效果加强了用于定位的控制和致动信号/电流。最好采用导热性很好的高粘滞性介质，在这种情况下，能够用该介质对致动器进行有效地冷却。材料的粘度最好选择在10到100000沱的范围。合适的材料包括聚合物，尤其是有机硅氧烷聚合物和聚硅氧。

在本发明的另一个变型例中，感应致动器与从一组包括杠杆、弹簧这样的弹性元件，或其它传动装置等装置中选出的装置耦接。这样，控制和致动信号及其任何误差或偏差被同样减小，从而获得所需的运动精度。当使用所说的装置时，要注意限制任何振动。因此，在这种变型的一个优选实施例中，用一个弹簧或一组弹簧来减小感应启动器的移动范围。

样品保持装置或探测装置最好与一个谐振频率大于1KHz，最好大于5KHz的弹簧单元相耦接。谐振频率的上限根据所用材料和弹簧设计可以是100KHz。由于装置具有的谐振频率很容易和周围的振荡发生联系，因此，很难获得原子分辨率，所以，谐振频率是一个重要特性。感应力反过来再驱动弹簧单元。

在本发明的又一个实施例中，由反馈回路附助控制和稳定磁致动器的移动部分相对该致动器固定部分的位置。该反馈回路最好包括一个用于确定移动部分位置的应变仪。由于机械放大的结果，这个反馈回路和其位置确定装置的精度自身不必一定要提供原子分辨率。但是，该反馈回路不应和控制SPM所需的反馈回路，即稳定探针和样品之间距离的反馈回路混为一谈。

在本发明的又一个实施例中，机械放大装置能够在至少两个不同的工作模式之间进行转换。这样，将精密定位装置作为粗定位器来使用也将成为可能。具有这种精密定位器的SPM可以不需要另外的粗定位系统。在本发明的优选实施例中，用作放大装置的弹簧的弹簧常数可以在至少两个不同的值之间进行变换。

被认为是本发明特征的这些和其它新颖特点及其优选实施例在后面的权利要求书中陈述。但是，最好是参考下面通过阅读附图而对所述实施例所进行的详细说明，来理解本发明本身、使用的优选方式、其它的目的以及其优点。

附图简述

下面参照以下附图详细说明本发明：

图1A表示的是一个用弹簧作为减速装置的精密定位器实施例的基本特点。

图1B表示的是本发明精密定位器的实施例的细节。

图2表示的是本发明粗定位和精密定位相组合的定位器。

图3表示的是另一个实施例，其中感应致动器的移动范围受到高粘滞性介质的限制。

图4表示的是三维精密定位器。

图5表示的是用于控制精密定位器的部分电路。

实施本发明方式

参照图1A，表示的是精密定位装置1，其包括一个产生恒定磁场的永磁体2。在永磁体2的铁心上放置一个铜线圈3。线圈的重量约为1克。线圈经过细的软导线与一个可变电流源(没有示出)相连。永磁体2安装在一个基板4上，一个金属棒5也安装在基板4上。金属棒的上端经一条刚性导线6与线圈3的前端相连。

在工作中，电流流过线圈。感应力将线圈3移到由永磁体2形成的骨架内，感应力在物理概念上是洛伦兹力的一种特定情况。该力与电流和磁场强度成正比。在这个例子中，使用了在扩音系统中采用的普通发声线圈。这些线圈由弹簧常数约为2×10³N/m的弹簧减幅，该弹簧常数是由约10N的最大感应力和5mm线圈的峰值幅度得出的。考虑到线圈的重量为1g，所以，系统的谐振频率在几百赫兹的范围内。该频率足够低以提供原子分辨率所需的稳定性。但是，通过使棒5经刚性导线6与线圈相连，而提供一种弹簧常数在10⁶N/m范围内的弹簧系统，其效果是导致至少为1KHz的谐振频率，其足以保护样品或探针免受周围振动的影响。用弹簧系统将线圈3的扫描范围减少到20μm，该范围正好在由已有的，又是非常复杂的压电扫描器获得的扫描范围内。通过将线圈3的前端直接连接到棒5上可以将所示的装置设计得更紧凑。

代替在线圈3和棒5之间施加的刚性连接，可用软一些的弹簧在它们之间进行连接，其能够相对有效的谐振频率有效地隔断线圈和棒。在这种情况下，线圈回复到整个移动范围(10mm)，而棒仍限制在20μm的范围，且仍然提供获得原子分辨率所需的高谐振频率。

对本领域普通技术人员显而易见的是棒5能够用其它等效弹簧或杠杆系统很容易地代替。此外，包含有线圈3和永磁体1的简单的致动器可以由更复杂的装置来代替，如用电磁体取代永磁体，或用一条导轨代替磁心，在导轨上，取代线圈的其它磁体在流过其中的电流的适当控制下悬浮移动。还有，通过将棒5与第二磁致动器相连，棒5的顶端可以在一个平面内以原子分辨率移动。

图1B说明本发明的另一种变型例，其示出了线圈和永磁体放大后的细节。其中线圈采用一个伸长计(或应变仪)11。伸长计将由移动线圈产生的伸长量变换成一个成比例的电信号。在一个反馈回路中使用该电信号以稳定线圈的位置。这种变化在本发明这样的实施例中尤为有用，即如上所述当线圈与探针或样品保持器脱开时线圈本身在其整个移动范围移动。

现在参照图2，其表示的是本发明具有一个凸缘棒25的实施例。(图1和2中相同或相似的部分用相同标号标注)当把一个夹持器21固定到基板4上的时候，棒到达凸缘的高度就停止不动了。当松开夹持器时，棒能够在其整个长度上弯曲。实际上，通过使用夹持器可使棒25的弹簧常数分别相应于扫描范围20μm和200μm在两个值，例如10⁶和10⁵之间变换。尽管粗扫描可以不提供原子分辨率，但弹簧可以在一个较大范围内移动。

图3表示的是本发明另一个实施例，其将粗定位器和精密定位器相组合。相对于其它附图而言，用相同的标号标注相同或相似的部件。在这个实施例中，用一种高粘性(例如硅)聚合物35代替图1A的弹簧或棒。聚硅氧聚合物只向线圈3提供小的恢复力，而却在致动器的移动线圈和不动部分之间提供大的摩擦力。采用该装置，可以用0.2nm以下的精度将例如固定到线圈3前端的样品定位在约1mm的最大范围之内。优先使用的是聚硅氧聚合物，因为其具有高的导热性和热耐久性，便于冷却装置。这样，能够以大电流向线圈供电。在这个特定实施例中，把探针，样品保持器，或样品本身优先附装到线国3的前端。而且，可能出现与高粘性材料，线圈的形状和支承结构有关的变化。

现在参照图4，其表示的是本发明的扫描透视显微镜的主要部件。应注意图4的部件没有按比例表示。所示的显微镜包括组合的精密定位和粗定位单元41，中央处理单元420，和外围电子设备。定位单元41以技术人员公知的方式用适合的阻尼系统(弹簧，氟化橡胶袋等)与外部振动隔离。将透视探针或探头413固定到棒414的顶端。棒在第一(x-)感应致动器415的作用下沿x方向移动。在没有示出的第二(y-)感应致动器的作用下实现在y方向的移动。经适当编程，两个致动器能够一起实现探针在x，y平面内的扫描移动。将样品416附装到另一(Z-)感应致动器417的移动线圈的前端，致动器417是上面参照图3所述的聚合物阻尼型的。Z致动器改变探针和样品之间的距离。对每个感应致动器415、417来说，外围的电元件和电子元件包括一个可编程直流电源421，422，直流电源421，422由中央处理单元412经过数据和控制信号总线424进行控制。它们还包括放大器，A/D和D/A转换器。将探针413和样品416装到用于提供电压和测量这两者之间的隧道电流的装置上。将测出的隧道电流输入给反馈回路，以对Z致动器417，即对探针和样品416之间的距离进行控制。

图5表示了电子线路的细节。施加给输入端501的电压决定了通过功率放大器PA01流经线圈502的电流。主要由运算放大器OP37组成的反馈回路稳定流经线圈的电流，由此对致动器施加了可有效控制的磁力。该电路还包括阻值分别为0.1Ω，100Ω，9KΩ，2KΩ(可调)和10KΩ的串联电阻器R1-R5。

在工作中，使样品以几分之一毫米的精度在探针附近定位。向探针和样品施加几百伏的电压。一直有电流流过Z致动器417的线圈，直到测出探针和样品之间的隧道电流。然后启动反馈回路，以0.01nm到0.1nm的精度控制距离。x-致动器和与y-方向相应的致动器(没有示出)的直流供电电路422，根据预定和编程的扫描流程，从中央处理单元420接收输入控制信号。在螺栓418松开时，棒414变换到能使探针和样品之间在x、y平面有大的位移的较低的弹性系数。而后，把探针413放到与样品416表面的另一部分附近。在位移步骤结束之后，螺栓418再拧紧到棒的凸缘上，并重复编程的扫描矩阵。中央处理单元420还包括图像处理装置，用于将隧道电流，即测量高度变换成被扫描样品表面的图像。

通过用悬臂和检测悬臂弯曲的装置来代替基于探针和样品之间的隧道电流检测的探针和相应的反馈回路，所述的精密定位装置可在原子力显微镜中使用。通过替换相应的反馈电路，精密定位器可以用相似的方式适用于其它的SPM技术。

Claims (13)

1.一种精密定位装置，具有一个致动装置，供以100纳米至0.01纳米之间的原子分辨率改变探头装置与样品保持装置之间的相对位置，所述致动装置包括：

一个管状线圈和磁装置，两者在预定移动范围内彼此相对移动，所述磁装置的其中一个磁极位于一个纵向元件的一端，该元件与所述端一起延伸入所述管状线圈的空腔中；和

一个机械装置，靠所述管状线圈与所述磁元件彼此的相对运动动作，从而增加所述致动装置在所述磁装置与所述管状线圈相对移动过程中消耗的能量。

2.如权利要求1所述的精密定位装置，其中所述机械装置是一个阻尼装置，由粘性大的材料制成，从而使所述管状线圈与所述磁装置之间具有摩擦力，使所述致动装置在所述磁装置与所述管状线圈相对移动过程中消耗的能量增加。

3.如权利要求2所述的精密定位装置，其中所述粘性大的材料为硅基聚合物。

4.如权利要求1所述的精密定位装置，其中所述机械装置是与所述管状线圈连接的弹簧装置。

5.如权利要求1所述的精密定位装置，包括一个位移控制装置，供测定和控制所述致动装置的位移。

6.一种精密定位装置包括：

一个Z轴定位装置，其作用是改变样品保持装置与探头装置在垂直于所述样品保持装置的平面上的相对位置，所述Z轴定位装置包括与一个基板连接的第一致动装置，所述第一致动装置还有第一管状线圈和第一磁装置，两者在预定的移动范围彼此相对移动，所述第一磁装置的其中一个磁极位于一个纵向元件的一端，该元件与所述端一起延伸入所述第一管状线圈的空腔中，所述Z轴定位装置还有一个由粘性大的材料制成的阻尼装置，从而使所述第一管状线圈与所述第一磁装置之间具有摩擦力，增加所述第一致动装置在所述第一磁装置与所述第一管状线圈相对运动过程中消耗的能量；和

一个X/Y轴定位装置，其作用是在平行于所述样品保持装置的一个平面上改变样品保持装置与所述探头装置的相对位置，所述X/Y轴定位装置包括与所述基板连接的第二致动装置和第三致动装置，所述第二致动装置有一个管状线圈和第二磁装置，两者可在预定的移动范围内彼此相对移动，所述第二磁装置的其中一个磁极位于一个纵向元件的一端，该元件与所述端一起延伸入所述第二管状线圈的空腔中，所述第二致动装置还有一个弹簧装置，抵制所述第二磁装置与所述管状线圈的相对移动，从而增加所述第二致动装置在所述第二磁装置与所述第二管状线圈相对移动过程中消耗的能量；且

所述第三致动装置包括与所述弹簧装置及第三磁装置连接的第三管状线圈，弹簧装置和第三磁装置两者可在预定的移动范围内彼此相对移动，所述第三磁装置的其中一个磁极位于一个纵向元件的一端，该元件与所述端一起延伸入所述第三管状线圈的空腔中。

7.如权利要求6所述的精密定位装置，包括一个移位控制装置，供测定和控制所述致动装置的位移。

8.一种精密定位装置，具有一个电流起动传感器，供改变探头与样品保持装置在扫描探头显微镜中的相对位置，并提供以100纳米至0.01纳米的原子分辨率扫描样品的动力，所述电流起动传感器包括：

一个管状线圈和磁装置，可在预定的移动范围内彼此相对移动，所述磁装置的其中一个磁极位于一个纵向元件的一端，该元件与所述端一起延伸入所述管状线圈的空腔中；和

一个机械装置，靠所述管形线圈的移动动作，其作用是增加所述管状线圈与所述磁装置彼此相对移动所需电流的大小。

9.如权利要求8所述的精密定位装置，其中所述机械装置由粘性材料构成，从而提供摩擦力以增加所述传感器在所述磁装置与所述管状线圈相对移动过程中消耗的能量。

10.如权利要求8所述的精密定位装置，其中所述精密定位装置是个X-Y扫描器，所述管状线圈与所述探头连接，且驱动所述探头使其产生扫描图形。

11.如权利要求8所述的精密定位装置，其中所述机械装置是个簧片，沿其一端摆动，另一端装着探头。

12.如权利要求11所述的精密定位装置，其中所述簧片的另一端通过机械连接附到所述管状线圈上。

13.如权利要求12所述的精密定位装置，其中所述簧片两端之间的一部分有选择地加以固定，形成一个小扫描范围或一个大扫描范围。

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