CN105510641A - 一种高次谐振型石英音叉微悬臂及制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高次谐振型石英音叉微悬臂及制作方法。该高次谐振型石英音叉微悬臂包括：石英音叉本体；所述石英音叉本体包括音叉基部、振动臂和固定臂；所述振动臂和固定臂均与所述音叉基部相连；所述振动臂的厚度比所述固定臂的厚度小dmm，所述振动臂的厚度、所述固定臂的厚度和所述振动臂与所述固定臂之间的间隙之和等于所述石英音叉本体的厚度，以使所述高次谐振型石英音叉微悬臂的高阶本征频率是基础频率的整数倍；其中，d大于0且小于所述固定臂的厚度。本发明调谐了高阶本征模式的振荡频率与基频的耦合，可以实现除基频外更多频率信号的探测，能够提供很高的灵敏度和分辨率，实现针尖与样品间力的非线性以及样品更多物性的探测。

Description

一种高次谐振型石英音叉微悬臂及制作方法
技术领域
本发明涉及原子力显微术领域，尤其涉及一种高次谐振型石英音叉微悬臂及制作方法。
背景技术
不断提高空间分辨率、数据采集速度以及实现材料性质的成像，一直以来就是原子力显微术的发展目标。近些年发展的多频原子力显微术(Multi-frequencyAFM，MF-AFM)，即在多个频率下激励和/或探测微悬臂探针的振动信号来实现样品表征等，这些振动频率通常与微悬臂的高次谐波振动或多个本征模式有关。
目前石英音叉微悬臂，与传统硅微悬臂相比，有许多不可比拟的优势：(1)石英音叉的弹性常数k值很大，可以将针尖与样品间的距离很稳定的控制在10nm以内，抗干扰能力非常好；(2)石英音叉的品质因数Q非常高，工作时的功耗非常低；(3)石英音叉的频率稳定性很好，在大气环境下，当探针所处的温度变化10℃时，微悬臂的振动频率会产生35Hz的变化，而石英音叉的频率变化仅为微悬臂变化的百分之一；(4)物美价廉，经济实用，并且粘接探针时操作性很强。因此，将石英音叉作为微悬臂在原子力显微术中具有广泛的应用，如近些年备受许多研究专家关注的qPlusAFM，其核心就是利用石英音叉作为力传感系统。
图1示出了现有的石英音叉的结构示意图。如图1所示，B为石英音叉本体的长度，D为石英音叉本体的厚度，L为石英音叉臂的长度，W为石英音叉臂的宽度，h为石英音叉臂的厚度。qPlus技术，是将石英音叉的一个整臂固定在蓝宝石基座上，而另一臂悬空，相当于传统原子力显微镜探针系统的微悬臂，然后将腐蚀的探针垂直地粘接在悬空的音叉臂端头。以AB38T型石英音叉为例，B＝5740μm，D＝1374μm，L＝3588μm，W＝248μm，振动臂的厚度h为585μm，固定臂的厚度h为585μm，振动臂与固定臂之间的间隙为204μm，即振动臂的厚度h、固定臂的厚度h和振动臂与固定臂之间的间隙之和等于石英音叉本体的厚度D。
传统的原子力显微术仅在微悬臂的基础模式频率下进行激励和探测，而基频外的频率通常较高且信号强度小于基频部分，因此都被忽略了，导致包含在其它频率部分相互作用力的信息也丢失了。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：现有的微悬臂忽略高频相互作用力下的信号，忽略了待测样品高频信号中包含的性质的问题。
为解决上述技术问题，本发明提出了如下技术方案：
一种高次谐振型石英音叉微悬臂，包括：
石英音叉本体；
所述石英音叉本体包括音叉基部、振动臂和固定臂；
所述振动臂和固定臂均与所述音叉基部相连；
所述振动臂的厚度比所述固定臂的厚度小dmm，所述振动臂的厚度、所述固定臂的厚度和所述振动臂与所述固定臂之间的间隙之和等于所述石英音叉本体的厚度，以使所述高次谐振型石英音叉微悬臂的高阶本征频率是基础频率的整数倍；
其中，d大于0且小于所述固定臂的厚度。
可选地，所述振动臂从远离所述固定臂的一侧到靠近所述固定臂的一侧的厚度比所述固定臂的厚度小dmm。
可选地，d大于0且小于所述固定臂的厚度的一半。
可选地，所述音叉基部、振动臂和固定臂为一体成型。
一种原子力显微镜，包括上述高次谐振型石英音叉微悬臂。
一种高次谐振型石英音叉微悬臂的制作方法，包括：
对现有的石英音叉进行切割加工或直接加工制作高次谐振型石英音叉微悬臂，改变石英音叉的质量分布，以使所述高次谐振型石英音叉微悬臂的高阶本征频率是基础频率的整数倍。
可选地，所述对现有的石英音叉进行切割加工，包括：
在石英音叉本体的振动臂上切除质量块，以使所述振动臂的厚度比所述固定臂的厚度小dmm，切除的所述质量块的长度与所述音叉本体的长度相等，以使所述高次谐振石英音叉微悬臂的高征本阶频率是基础频率的整数倍；
其中，d大于0且小于所述固定臂的厚度。
可选地，所述在石英音叉本体的振动臂上切除质量块，包括：
在石英音叉本体的振动臂上远离固定臂的一侧切除长方体质量块。
可选地，d大于0且小于所述固定臂的厚度的一半。
本发明提出的高次谐振型石英音叉微悬臂及制作方法，调谐了高阶本征模式的振荡频率与基频的耦合，可以实现除基频外更多频率信号的探测，能够提供很高的灵敏度和分辨率，同时实现样品在基频下的形貌成像和高次力梯度的成像，从而实现针尖与样品间力的非线性以及样品更多物性的探测和研究。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1示出了现有的石英音叉的结构示意图；
图2示出了本发明一个实施例的高次谐振型石英音叉微悬臂的结构示意图；
图3示出了现有的石英音叉微悬臂与本发明的高次谐振型石英音叉微悬臂在同样大小作用力下的传递函数曲线。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的实施例进行详细描述。
图2示出了本发明一个实施例的高次谐振型石英音叉微悬臂的结构示意图。图3示出了现有的石英音叉微悬臂与本发明的高次谐振型石英音叉微悬臂在同样大小作用力下的传递函数曲线。
如图2所示，该高次谐振型石英音叉微悬臂包括：
石英音叉本体1；
石英音叉本体1包括音叉基部11、振动臂12和固定臂13；
振动臂12和固定臂13均与音叉基部11相连；
振动臂12的厚度比固定臂13的厚度小dmm，振动臂12的厚度、固定臂13的厚度和振动臂12与固定臂13之间的间隙之和等于石英音叉本体1的厚度，以使所述高次谐振石英音叉微悬臂的高阶本征频率是基础频率的整数倍；
其中，d大于0且小于固定臂13的厚度。
基频外高频信号成功提取的关键在于设计特殊的微悬臂探针，调谐微悬臂探针的高阶本征频率与基础模式频率成整数倍关系，基于共振放大效应，大幅提高高频信号的信噪比，可以实现高频信号的探测，获得材料更多物性的表征。
本实施例的高次谐振型石英音叉微悬臂，调谐了高阶本征模式的振荡频率与基频的耦合，可以实现除基频外更多频率信号的探测，能够提供很高的灵敏度和分辨率，同时实现样品在基频下的形貌成像和高次力梯度的成像，从而实现针尖与样品间力的非线性以及样品更多物性的探测和研究。
在一种可选的实施方式中，振动臂12从远离固定臂13的一侧到靠近固定臂13的一侧的厚度比固定臂13的厚度小dmm。该实施方式的高次谐振石英音叉微悬臂易于加工。
进一步地，d大于0且小于固定臂13的厚度的一半。音叉基部11、振动臂12和固定臂13为一体成型。
本发明还提出了一种包括上述高次谐振型石英音叉微悬臂的原子力显微镜。
图2中的高次谐振石英音叉微悬臂既可以在现有的石英音叉上进行后续加工，也可以直接加工制作高次谐振石英音叉微悬臂模型，打破了传统石英音叉的对称性结构。
通过在现有的石英音叉上后续加工改变其几何质量分布的高次谐振石英音叉微悬臂的制作方法，如下：
在石英音叉本体的振动臂上切除质量块，以使所述振动臂的厚度比所述固定臂的厚度小dmm，切除的所述质量块的长度与所述音叉本体的长度相等；
其中，d大于0且小于所述固定臂的厚度。
在一种可选的实施方式中，所述在石英音叉本体的振动臂上切除质量块，包括：
在石英音叉本体的振动臂上远离固定臂的一侧切除长方体质量块。
进一步地，d大于0且小于所述固定臂的厚度的一半。
举例来说，以Abracon公司的AB38T型石英音叉为例，原始石英音叉微悬臂的基础模式的频率为36.68kHz，二阶弯曲振荡模式频率为209.96kHz，二阶模式与基频之比为5.75，频谱响应曲线a曲线所示。该实例中通过改变振动臂的厚度来制作高次谐振微悬臂，当d＝0.2(即振动臂的厚度为0.385mm)时，高次谐振石英音叉微悬臂的一阶弯曲振荡频率为24.709kHz，二阶弯曲振荡频率为148.29kHz，实现了二阶弯曲振荡频率与一阶弯曲振荡频率之比为整数倍6，其传递函数响应曲线如图3中b曲线所示。
在实际应用中，选择Abracon公司的AB38T型石英音叉为原始模型，去其外壳获得初始石英音叉；为保证和满足微悬臂加工和探针粘接的可操作性及探振系统的实验需求，通过调节振动臂的厚度的方法来实现高次谐振微悬臂的设计；所调节微悬臂厚度的大小是影响微悬臂本征频率变化的核心因素；利用微纳加工技术对原始石英音叉模型进行切割加工，完成高次谐振石英音叉微悬臂的制作。经过ANSYS分析，调谐了微悬臂的高阶模式与基础模式的耦合关系。
设计高次谐振型石英音叉悬臂探针时，首先需要对原始石英音叉进行有限元分析，清楚其高阶振荡模式与基频模式间的关系。由于石英晶体为一种各向异性材料，这意味着在某方向上的旋转变化将会引起材料性能方面的变化，因此掌握石英晶片的切型是设计石英微悬臂的理论基础。我们熟悉的晶片切型有AT、SC和ST等，对于作为力传感器的石英音叉采用的是AT切型的X+5°。
本发明提出的高次谐振型石英音叉微悬臂及制作方法，调谐了高阶本征模式的振荡频率与基频的耦合，可以实现除基频外更多频率信号的探测，能够提供很高的灵敏度和分辨率，同时实现样品在基频下的形貌成像和高次力梯度的成像，从而实现针尖与样品间力的非线性以及样品更多物性的探测和研究。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (9)

1.一种高次谐振型石英音叉微悬臂，其特征在于，包括：
石英音叉本体(1)；
所述石英音叉本体(1)包括音叉基部(11)、振动臂(12)和固定臂(13)；
所述振动臂(12)和固定臂(13)均与所述音叉基部(11)相连；
所述振动臂(12)的厚度比所述固定臂(13)的厚度小dmm，所述振动臂(12)的厚度、所述固定臂(13)的厚度和所述振动臂(12)与所述固定臂(13)之间的间隙之和等于所述石英音叉本体(1)的厚度，以使所述高次谐振型石英音叉微悬臂的高阶本征频率是基础频率的整数倍；
其中，d大于0且小于所述固定臂的厚度。
2.根据权利要求1所述的高次谐振型石英音叉微悬臂，其特征在于，
所述振动臂(12)从远离所述固定臂(13)的一侧到靠近所述固定臂(13)的一侧的厚度比所述固定臂(13)的厚度小dmm。
3.根据权利要求1所述的高次谐振石英音叉微悬臂，其特征在于，
d大于0且小于所述固定臂(13)的厚度的一半。
4.根据权利要求1所述的高次谐振石英音叉微悬臂，其特征在于，
所述音叉基部(11)、振动臂(12)和固定臂(13)为一体成型。
5.一种原子力显微镜，其特征在于，包括权利要求1-4任一项所述的高次谐振型石英音叉微悬臂。
6.一种高次谐振型石英音叉微悬臂的制作方法，其特征在于，包括：
对现有的石英音叉进行切割加工或直接加工制作高次谐振型石英音叉微悬臂，改变石英音叉的质量分布，以使所述高次谐振型石英音叉微悬臂的高阶本征频率是基础频率的整数倍。
7.根据权利要求6所述的高次谐振型石英音叉微悬臂的制作方法，其特征在于，所述对现有的石英音叉进行切割加工，包括：
在石英音叉本体的振动臂上切除质量块，以使所述振动臂的厚度比所述固定臂的厚度小dmm，切除的所述质量块的长度与所述音叉本体的长度相等，以使所述高次谐振石英音叉微悬臂的高征本阶频率是基础频率的整数倍；
其中，d大于0且小于所述固定臂的厚度。
8.根据权利要求7所述的高次谐振型石英音叉微悬臂的制作方法，其特征在于，所述在石英音叉本体的振动臂上切除质量块，包括：
在石英音叉本体的振动臂上远离固定臂的一侧切除长方体质量块。
9.根据权利要求7所述的高次谐振型石英音叉微悬臂的制作方法，其特征在于，d大于0且小于所述固定臂的厚度的一半。
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