CN106501551A - 一种基于光纤的原子力显微镜探头及原子力显微镜系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光纤的原子力显微镜探头及原子力显微镜系统，基于光纤的原子力显微镜探头包括探针和微悬臂梁，探针位于微悬臂梁的一端，所述微悬臂梁位于光纤的一端，微悬臂梁通过一连接臂与光纤一端面之间形成光纤F‑P腔，微悬臂梁用来感应探针与样品之间距离的变化，当微悬臂梁发生形变引起所述光纤F‑P腔的腔长发生变化时，反射光强度被光纤F‑P腔所调制。

Description

一种基于光纤的原子力显微镜探头及原子力显微镜系统

技术领域

本发明属于材料科学、实验物理学、生物分子学领域中的样品表面形貌扫描方向，具体涉及一种基于光纤的原子力显微镜探头及原子力显微镜系统。

背景技术

原子力显微镜(Atomic Force Microscope)是一种可用来研究包括绝缘体在内的固体材料、生物分子等表面结构的分析仪器，原子力显微镜的基本原理是：将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，微悬臂梁另一端有一微小探针，当微悬臂梁探针与样品表面距离非常近时，探针尖端的原子与样品表面的原子之间存在极其微弱的相互作用力(10^-12～10^-6N)，会使微悬臂梁发生微弯曲变形。探针针尖与样品之间的作用力与两者的距离有关，通过在扫描时控制这种力(排斥力或吸引力)的恒定(即保持探针与样品表面距离恒定)，带有探针的微悬臂梁将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样品的表面方向起伏运动。利用光学检测法、隧道电流法等检测手段，可测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品表面形貌的信息。

基于光反射检测法的原子力显微镜由微悬臂梁探针、反馈信号检测部分、控制反馈系统三部分组成，如图1所示：

(1)微悬臂梁探针是整个系统最核心部分，包括一个微型悬臂梁和固定在悬臂梁一端的微型探针，在原子力显微镜探测系统中，所要检测的力是原子与原子之间的范德华力，一般使用微悬臂梁探针来检测原子之间力的变化量。微小悬臂有一定的规格，例如：长度、宽度、弹性系数以及针尖的形状，而这些规格的选择是依照样品的特性，以及操作模式的不同，而选择不同类型的探针。探针的尖锐度直接决定了样品表面形貌的精度，探针尖腐蚀或者生长在悬臂梁的尖端，尖的尺度一般在10nm-50nm之间；

(2)光学信号检测部分包括激光器、光学准直器件和信号检测器件，在原子力显微镜扫描系统中，当针尖与样品之间有了交互作用之后，会使得微悬臂梁发生摆动。因此当激光通过光学准直器件照射在微悬臂梁的末端时，其反射光的位置也会因为微悬臂梁摆动而有所改变，这就造成反射光斑偏移量的产生。在整个系统中是依靠激光光斑位置检测器将偏移量记录下并转换成电的信号，以供反馈控制器作信号处理，从而得到样品表面形貌。

(3)控制反馈系统根据反馈信号来控制样品逼近平台，保持探针与样品之间距离恒定。在原子力显微镜扫描系统中，将反射信号经由激光检测器取入之后，在反馈系统中会将此信号当作反馈信号，作为内部的调整信号，并驱使通常由压电陶瓷管制作的扫描器做适当的移动，以保持样品与针尖维持恒定的作用力。

原子力显微镜便是结合以上三个部分来将样品的表面形貌呈现出来的，在原子力显微镜检测系统中，使用微悬臂梁来感测针尖与样品之间的交互作用，作用力会使微悬臂梁发生摆动；激光光源发出的光经光学准直器件照射在微悬臂梁的末端，当摆动形成时，会使反射光的位置改变而造成偏移量；此时激光检测器会记录此偏移量，同时把此时的信号给反馈系统，反馈控制系统对样品扫描平台做适当的调整，最后再将样品的表面特性以影像的方式给呈现出来。

当前光学检测方法中悬臂梁探针和光信号检测部分结构组成如图2所示，激光器发出的激光束经过光学准直器件(平面镜、凸透镜等)聚焦在微悬臂梁背面，并从微悬臂梁背面反射到由光电二极管构成的光斑位置检测器。在样品扫描时，由于样品表面的原子与微悬臂梁探针尖端的原子间的相互作用力，微悬臂梁将随样品表面形貌而弯曲起伏，反射光束也将随之偏移，因此通过光电二极管检测光斑位置的变化，就能获得被测样品表面形貌的信息。在系统检测成像全过程中，探针和被测样品间的距离始终保持在纳米(10^-9米)量级，距离太大不能获得样品表面的信息，距离太小会损伤探针和被测样品。检测器检测的位置信息输入控制反馈回路，控制反馈回路根据此信号来改变加在样品扫描器垂直方向的电压，从而使样品上下移动，调节探针和被测样品间的距离，反过来控制探针-样品相互作用的强度，实现反馈控制。

光反射检测方法具有灵敏度高、检测精度高的优点，但基于目前悬臂梁探针结构的测量系统相对复杂，使用了大量光学器件，且操作复杂、体积庞大，不利于系统简单化及小型化，限制了其在生物检测及微小测量环境中使用，当前悬臂梁探针测量存在缺点有：

(1)系统检测前需要校准，操作复杂：

悬臂梁探针和光信号检测部分为独立结构，使用时需要调整微悬臂梁和各光学准直器件的相对位置以保证光学回路的传输，各器件相对位置需要精确校准才能保证系统测量精度，加大系统使用难度；

(2)结构复杂、体积大，不利于系统微型化设计：

光学检测系统使用了多种光学准直器件，造成整个系统结构复杂、成本高、体积大，不利于系统微型化设计，限制了系统的使用范围；

(3)不适合远距离探测使用：

由于光信号传输回路限制，光学器件与悬臂梁距离必须很近，对于整个系统搭建带来一定难度，不利于远距离探测使用；

(4)温漂误差和应力问题带来的系统测试误差：

(5)悬臂梁探针与其支撑结构材料属性不一致，或是探针与微悬臂梁材料不一致，容易引起材料热失配带来的温漂误差及不同材料间的应力问题。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种基于光纤F-P干涉结构的原子力显微镜探头，在光纤的尾部加工了光纤F-P干涉结构和微悬臂梁探针结构，提高了系统的测量精度和灵敏度，且本发明具有结构小、集成度高、易于操作等优点，适用于微尺寸下的测量。

为了实现上述目的，本发明采用如下方案：

一种基于光纤的原子力显微镜探头，包括探针和微悬臂梁，探针位于微悬臂梁的一端，其特征在于：所述微悬臂梁位于光纤的一端，微悬臂梁通过一连接臂与光纤一端面之间形成光纤F-P腔，微悬臂梁用来感应探针与样品之间力的变化，当微悬臂梁发生形变引起所述光纤F-P腔的腔长发生变化时，反射光强度被光纤F-P腔所调制。

在所述微悬臂梁设置探针一侧，镀有金属反射膜、电介质反射膜或高分子反射膜，镀层厚度在10nm～1000nm之间，金属反射膜、电介质反射膜或高分子反射膜的反射率在90％以上，用以增加光信号反射效率，提高检测精度和灵敏度。

所述探针的结构为四棱锥或圆锥，采用表面微机械加工一般为四棱锥，采用腐蚀法加工一般为圆锥形结构。探针结构决定了原子力显微镜的分辨率和测量深度，影响因素一般由探针曲率半径r、半锥角θ和探针长度h。曲率半径r决定原子力显微镜在平面上横向分辨率；半锥角θ决定原子力显微镜扫描样品侧壁的能力，探针轴线与样品垂直时，探针扫描最大侧壁斜度为半锥角的余角；探针长度决定了原子力显微镜的扫描深度。

光纤选择单模或多模光纤，纤芯、包层均为SiO2材料，涂覆层材料一般为丙烯酸环氧树脂或有机硅树脂，微悬臂梁探针及F-P腔部分加工时需要将外层涂覆层剥去，只保留裸光纤。当光信号在光纤中传播时，由于光纤包层的折射率比光纤纤芯折射率小，所以光从纤芯射向包层的过程中会发生全反射，光线就可以在纤芯内部从光纤的一端传至另一端。并且内部传输损耗非常小，非常适合光线远距离传输。由于光纤具有很好的聚光效果，激光器光源发出的激光经光纤传导到悬臂梁探针时不需要添加任何光学准直器件(反射镜、透镜等)，大大简化了系统结构和成本，降低了系统使用难度。

微悬臂梁结构用来感应探针与样品间力的变化，同时起到放大作用。悬臂梁截面形状一般为等腰三角形或者是矩形，本发明结构由于在单模光纤上制作，考虑制作工艺，选择矩形悬臂梁。

微悬臂梁与光纤一端面之间形成光纤F-P腔，激光光源发出的光通过光纤传输到光纤这一端面时，在光纤F-P腔位置会发生三种界面光反射，主要包括光纤-空气(f-a)界面反射、空气-悬臂梁(a-c)界面反射、悬臂梁-金属膜(c-m)界面反射，其中以悬臂梁-金属膜界面对光反射作用最强。光纤F-P腔用来调制反射光强度，当悬臂梁形变引起腔长发生变化时候，反射光信号强度也会随之发生变化。

反射光强I_R计算公式如下式所示：

上式中I₀为入射光强，V、φ、λ均为常数，因此检测到的反射光强只与光纤F-P腔腔长L有关，当微悬臂梁发生形变时候导致L发生变化，从而引起反射光强I_R变化。只需使用光谱检测仪器测得反射光强，即可以算的L大小。

金属反射膜用来增加反射光信号强度，增强原子力显微镜系统的测量灵敏度，在三种界面反射光强中，金属膜反射强度最大。金属膜镀层可以使用蒸镀、溅镀、离子披覆等，镀层材料选择高反射率金属(如Ag、Au、Al等)，所谓高反射率是指反射率高于90％。金属镀层厚度要适中，金属镀层太厚容易引起热失配带来的温漂误差。

本发明还涉及一种基于光纤的原子力显微镜探头的原子力显微镜系统，包括上述的一种基于光纤的原子力显微镜探头、耦合器、激光光源、光强检测设备、反馈控制器和位移扫描平台，当探针和样品表面非常接近时(nm级)，探针针尖原子与样品表面原子间产生微弱范德法力，在此力作用下微悬臂梁发生微小形变，导致光纤F-P腔长发生变化；激光光源发出的光通过传光光纤传输到光纤顶端时，在光纤F-P腔位置会发生界面光反射，反射光通过光纤原路返回进入光信号检测设备(如光谱仪等)；而由微悬臂梁微型变引起的F-P腔长变化会导致反射光强度发生改变，将光信号检测设备检测到的光强变化信息反馈给控制系统。控制系统根据获取的光强信息来调节位移扫描平台的移动，保持反射光强度不变，以保证探针与样品表面距离不变。

本发明的有益效果：

(1)极高的测量精度和灵敏度；

光纤F-P腔干涉结构的设计有利于提高检测的灵敏度，另外光强检测仪器选择性更大，可选择使用高精度设备，相比于现有技术的位置检测装置，在检测精度上有明显的提升；

(2)结构简单、体积小、成本低，扩大了原子力显微镜系统使用范围；

本发明的结构集中设计在一根单模光纤顶端，光信号通过光纤由光源传输到微悬臂梁探针，无需任何光学准直器件即可以达到很好的聚光效果，省去了当前检测系统中的光学准直器件，使得结构简单、体积更小；

(3)无需进行光路校准，简化系统使用难度；

本发明中光纤悬臂梁探针、光纤F-P腔、光信号传输部分全部在一根单模光纤上完成，一体化结构设置，入射光信号和反射光信号均在光纤内部传输，光源和检测仪器没有入射角和反射角条件限制，无需校准。

(4)可以实现远距离测量；

采用单模光纤，相比多模光纤来说更善于远距离传输，且与微悬臂梁探头和光纤F-P腔结合，光信号回路在光纤内部传输，激光器和光检测装置不受悬臂梁探针位置限制，光信号传输距离不受限制；

(5)无材料差异引起的热失配温漂及应力问题；

一体化设计无需悬臂梁支撑结构，很好的解决了以往结构连接过程中的应力问题；所有结构材料属性基本一致，没有热失配问题发生。

附图说明

图1为现有的原子力显微镜系统；

图2为现有的原子力显微镜系统中的悬臂梁探针结构；

图3为本发明的基于光纤的原子力显微镜探头；

图4为现有的光纤结构；

图5为本发明的基于光纤的原子力显微镜探头的光信号发射原理示意图；

图6为本发明的基于光纤的原子力显微镜探头的原子力显微镜系统；

图7为本发明的基于光纤的原子力显微镜探头的立体结构图

其中1-光纤纤芯；2光纤包层；3光纤F-P腔；4微悬臂梁；5探针；6金属反射膜。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：一种基于光纤的原子力显微镜探头

如图3和图7所示，基于光纤的原子力显微镜探头主要包括探针5、微悬臂梁4和光纤F-P腔5和传光光纤，通过表面微机械技术(皮秒激光加工、超声震动辅助加工)和体微机械加工技术(干法腐蚀、各向异性湿法腐蚀)集成加工在一根直径125μm光纤顶端。探针5、微悬臂梁4和光纤F-P腔3为整体结构，可以一体加工成型，不存在连接件。另外，探针5也可以单独制备，不采用一体成型结构，然后通过其他加工工艺粘接到微悬臂梁的一端，可以保证探针结构和材质选择多样性，扩大系统使用范围；在悬臂梁的探针一侧镀有高反射金属膜、电介质反射膜或高分子反射膜6，用来增加光信号反射效率，提高检测精度和灵敏度；反射金属膜、电介质反射膜或高分子反射膜的反射率在90％以上视为高反射率的金属镀层。

如图4所示，光纤可选择单模或多模光纤，纤芯、包层均为SiO₂材料，涂覆层材料一般为丙烯酸环氧树脂或有机硅树脂，纤芯直径8μm-10μm，包层直径为125μm。微悬臂梁探针及F-P腔结构加工时需要将外层涂覆层剥去，只保留裸光纤。当光信号在光纤中传播时，由于光纤包层的折射率比光纤纤芯折射率小，所以光从纤芯射向包层的过程中会发生全反射，光线就可以在纤芯内部从光纤的一端传至另一端。并且内部传输损耗非常小，非常适合光线远距离传输。由于光纤具有很好的聚光效果，激光器光源发出的激光经光纤传导到悬臂梁探针时不需要添加任何光学准直器件(反射镜、透镜等)，大大简化了系统结构和成本，降低了系统使用难度。

探针结构为四棱锥或是圆锥，采用表面微机械加工一般为四棱锥形，采用腐蚀法加工一般为圆锥形结构。探针结构决定了原子力显微镜的分辨率和测量深度，影响因素一般由探针曲率半径r、半锥角θ和探针长度h。曲率半径r决定原子力显微镜在平面上横向分辨率，根据实际情况选择，一般在10nm～50nm之间；半锥角θ决定原子力显微镜扫描样品侧壁的能力，探针轴线与样品垂直时，探针扫描最大侧壁斜度为半锥角的余角，一般在10°～45°之间；探针长度决定了原子力显微镜的扫描深度，一般在10μm左右。

微悬臂梁结构用来感应探针与样品间力的变化，同时起到放大作用。悬臂梁结构一般为等腰三角形或者是矩形，本发明结构由于在光纤上制作，考虑制作工艺，选择矩形悬臂梁。本设计悬臂梁长度由于受光纤直径125μm限制只能在70μm～120μm，宽度和厚度根据谐振频率和测量样品决定，一般宽度在5μm～60μm，厚度1μm～10μm。

如图5所示，激光光源发出的光通过光纤传输到光纤顶端时，在光纤F-P腔位置会发生三种界面光反射，主要包括光纤-空气(f-a)界面反射、空气-悬臂梁(a-c)界面反射、悬臂梁-金属膜(c-m)界面反射(下图5所示)，其中以悬臂梁-金属膜界面对光反射作用最强。光纤F-P腔用来调制反射光强度，当悬臂梁形变引起腔长发生变化时候，反射光信号强度也会随之发生变化。反射光强I_R计算公式如下式所示：

上式中I₀为入射光强，V、φ、λ均为常数，因此检测到的反射光强只与光纤F-P腔腔长L有关，当微悬臂梁发生形变时候导致L发生变化，从而引起反射光强I_R变化。只需使用光谱检测仪器测得反射光强，即可以算的L大小。腔长应根据微悬臂梁厚度和镀层反射效率及光波波长设置，一般长度在100μm～1000μm之间。

金属反射膜用来增加反射光信号强度，增强原子力显微镜测量灵敏度，在三种界面反射光强中，金属膜反射强度最大。金属膜镀层可以使用蒸镀、溅镀、离子披覆等，镀层材料选择高反射率金属(如Ag、Au、Al等)，镀层厚度在10nm～1000nm之间，金属镀层太厚容易引起热失配带来的温漂误差。

实施例2：一种基于光纤原子力显微镜探头的原子力显微镜系统

如图6所示，一种基于光纤原子力显微镜探头的原子力显微镜系统，包括上述的一种基于光纤的原子力显微镜探头、传输光纤、耦合器、激光光源、光强检测设备、反馈控制器和位移扫描平台，当探针和样品表面非常接近时，探针针尖原子与样品表面原子间产生微弱范德法力，在此力作用下微悬臂梁发生微小形变，导致光纤F-P腔长发生变化；激光光源发出的光通过传光光纤传输到光纤顶端时，在光纤F-P腔位置会发生界面光反射，反射光通过光纤原路返回进入光信号检测设备；而由微悬臂梁微型变引起的F-P腔长变化会导致反射光强度发生改变，将光信号检测设备检测到的光强变化信息反馈给控制系统。反馈控制器获取光强检测仪器的解调数据后，通过控制位移扫描平台来调节待测样品与探针之间的距离，保证反射光强度不变。通过记录位移扫描平台的位移量即可以描述样品表面形状特性。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种基于光纤的原子力显微镜探头，包括探针、光纤和微悬臂梁，探针位于微悬臂梁的一端，其特征在于：所述微悬臂梁位于光纤的一端，微悬臂梁通过一连接臂与光纤一端面之间形成光纤F-P腔，微悬臂梁用来感应探针与样品之间力的变化，当微悬臂梁发生形变引起所述光纤F-P腔的腔长发生变化时，反射光强度被光纤F-P腔所调制。

2.根据权利要求1所述的一种基于光纤的原子力显微镜探头，其特征在于：在所述微悬臂梁设置探针一侧，镀有金属反射膜、电介质反射膜或高分子反射膜，镀层厚度在10nm-1000nm之间。

3.根据权利要求1所述的一种基于光纤的原子力显微镜探头，其特征在于：所述探针的结构为近似四棱锥或近似圆锥，与所述微悬臂梁、光纤F-P腔采用一体成型结构。

4.根据权利要求3所述的一种基于光纤的原子力显微镜探头，其特征在于：所述探针顶端的曲率半径r在10nm-50nm之间；半锥角在10°-45°之间；探针长度在9μm-11μm。

5.根据权利要求1所述的一种基于光纤的原子力显微镜探头，其特征在于：所述光纤为单模光纤或多模光纤。

6.根据权利要求1所述的一种基于光纤的原子力显微镜探头，其特征在于：所述微悬臂梁的结构为近似长方体结构，长度在光纤的包层直径范围内。

7.根据权利要求1所述的一种基于光纤的原子力显微镜探头，其特征在于：所述光纤F-P腔的腔长在10μm~1000μm之间。

8.根据权利要求2所述的一种基于光纤的原子力显微镜探头，其特征在于：所述金属反射膜、电介质反射膜或高分子反射膜的反射率在90%以上。

9.一种基于光纤的原子力显微镜探头的原子力显微镜系统，其特征在于：包括如权利要求1-8所述的一种基于光纤的原子力显微镜探头。