CN107085127A - 一种新型扫描探针显微镜的检测方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型扫描探针显微镜的检测方法和系统，系统包括光源、微悬臂探针、四象限接收器和接收器信号处理模块，光源发出的入射光经微悬臂探针反射后形成反射光，反射光被四象限接收器所接收，四象限接收器的输出端与接收器信号处理模块的输入端连接，光源和四象限接收器调整后所固定的位置能使入射光的中心轴和反射光的中心轴所在的平面与微悬臂探针的悬臂梁伸展轴垂直。本发明使入射光的中心轴和反射光的中心轴所在的平面与微悬臂探针的悬臂梁伸展轴垂直，实现了探针弯曲与探针升降这两种运动方式在检测信号上完全解耦，结构简单，成本低，以微悬臂探针作为唯一载荷，保证了扫描驱动装置的响应频率。本发明可广泛应用于显微镜技术领域。

Description

一种新型扫描探针显微镜的检测方法和系统

技术领域

本发明涉及显微镜技术领域，尤其是一种新型扫描探针显微镜的检测方法和系统。

背景技术

自1982年扫描隧道显微镜(STM)出现以后，又陆续发展出了一系列工作原理相似的新型显微技术，主要包括原子力显微镜(AFM)、横向力显微镜(LFM)、磁力显微镜(MFM)、静电力显微镜(EFM)、近场光学显微镜(SNOM)、压电力显微镜(PFM)、扫描探针声学显微镜(SPAM)等，由于它们都是利用探针对被测样品进行扫描，同时检测扫描过程中探针与样品的相互作用(如样品-探针间的相互作用力等)，得到样品相关性质(如形貌、摩擦力、磁畴结构等)的，因而被统称为扫描探针显微镜(SPM)。

在现有众多的扫描探针显微镜实现方案中，目前应用最为广泛的当属基于微悬臂结构探针和通过激光反射法进行检测的激光扫描探针显微镜技术，该显微镜通过激光反射法检测探针悬臂梁的微形变来获得探针针尖与样品的微弱相互作用进行成像，如图1所示。图1中，1 为微悬臂探针，2为激光器，3为光斑位置检测器，4为被测样品，5为三维压电扫描器，6 为入射激光束，7为微悬臂梁反射激光束。以原子力显微镜为例，它通过检测针尖和样品间的微小作用力(10^-9N量级)得到被测样品的表面形貌，原子力显微镜探针如图1中1所示，是一个前端带有纳米级锐度针尖的弹性微悬臂，激光器2发射的激光束6打到悬臂梁前端，悬臂梁的反射激光束7入射到光斑位置检测器3，将光斑的移动转变为电信号，显然该电信号的变化就代表了微悬臂的弯曲变化和针尖与样品作用力的变化。扫描过程中，原子力显微镜控制系统由扫描驱动电路通过输出特定的电压信号，驱动压电扫描器5使样品4在X、Y 方向扫描运动，等效于探针1在样品4表面进行扫描，反馈控制系统则对光斑位置检测器3的输出信号进行实时检测，并通过输出的电压信号驱动压电扫描器5在Z方向压伸缩，自动控制样品上下升降以抵消其表面高低起伏，使探针与样品间的作用力保持恒定。

基于微悬臂结构的探针且通过激光反射法进行检测的激光扫描探针显微镜得到了广泛的应用，成为目前主流产品。与其它方法相比，该显微镜使用了微悬臂探针激光反射检测方法，具有如下优势：1、探针多采用硅或氮化硅制备，结构简单，采用微电子技术可以大批量生产，质量稳定、一致性好且成本低廉；2、通过在探针针尖表面增加功能镀层(或涂层)，可以实现多种扫描探针显微镜技术，能对材料的多种性质进行测量和表征；3、以μm级的悬臂梁长度和mm级的反射光程来构成光杠杆结构，其本身已具有约1000倍的光学增益，故这种检测方法具有很好的灵敏度；4、其一般采用四象限接收器作为反射光斑位置检测器(PSD)，可以对反射光束的偏转进行空间全方位测量，从而对探针因受到样品的法向作用力而引起的悬臂梁弯曲和因受到样品的切向作用力而引起的悬臂梁扭曲进行测量，得到探针-样品的法向力和切向力(相对于样品表面平面来说)。对于接触模式的原子力显微镜来说，其法向力和切向力分别代表了样品的表面形貌和探针与样品间的摩擦力；而对于压电相应力显微镜来说，其法向力和切向力分别代表了铁电样品的面外(out-of-plane)和面内(in-plane)的压电响应。

目前基于四象限接收器的激光检测扫描探针显微镜的一种机构如图2所示。图2中，1 为激光器，2为微悬臂探针，3为四象限接收器，4为入射激光束，5为微悬臂梁反射激光束， 6为四象限接收器靶面上的光斑位置，7为接收器信号处理模块。四象限接收器3把落在每个象限上的光信号分别转变成4路电信号，再由信号处理模块7对这4路电信号进行简单的运算处理，得到光斑在接收器上的水平位置(X output)和垂直位置(Y output)。在图2所示的机构中，激光束4是从正上方入射的，当探针悬臂梁沿垂直方向的上下摆动时，其将会引起接收器3上的光斑上下移动(其原理如图3所示，图3中，SUD为探针悬臂梁上下摆动，MUD为接收器上光斑上下移动)，而当探针悬臂梁前端沿着水平方向左右扭动时，其将会引起接收器3上的光斑左右移动(其原理如图4所示，图4中，TLR为探针悬臂梁前端左右扭动， MLR为接收器上光斑左右移动)。

扫描探针显微镜通过压电扫描器控制探针对样品表面扫描，同步检测和记录探针和样品的相互作用信号，从而得到样品的表面信息。理论上，探针对样品扫描实际上是探针和样品的可控相对运动，既可采用探针扫描而样品固定的工作方式(简称探针扫描方式)，也可采用样品扫描而探针固定的工作方式(简称样品扫描方式)。但在具体实现上，一般都采用样品扫描的工作方式，这是由于在激光反射法进行检测的扫描探针显微镜中，探针和激光检测系统 (包含激光器、四象限接收器以及相应精密光路调整机构)在扫描成像过程中必须使它们的相对位置保持不变，否则实现起来难度较大。

随着扫描探针显微镜技术的发展，其应用领域快速扩大，扫描探针显微镜已经从最初的研究仪器逐步发展成一种纳米表征设备广泛应用于科学研究和技术产业。在许多应用中，要测试的样品无论是质量和体积都比较大，若采用样品扫描方式，由于样品作为压电扫描器的实际载荷，其会使得压电扫描器的响应频率(Resonant Frequency)急剧下降，也就是说，其压电扫描器无法带动大样品进行快速运动，这一点对扫描探针显微镜是致命的。以接触式原子力显微镜为例，探针在对样品进行平面扫描成像时，反馈系统通过检测微悬臂探针的纳米级微形变来得到样品表面的高低起伏信息，并自动改变输出电压，驱动控制压电扫描器带动样品快速、准确地升降，以便实时、精确地抵消掉样品的表面起伏，使探针针尖与样品间的作用力基本保持恒定。如果压电扫描器无法带动大样品进行快速升降运动的话，这意味着扫描成像时探针无法得到有效保护，容易因样品表面的起伏将对纳米级尖锐度的针尖造成损坏。因此，发展探针运动方式的扫描探针显微镜同样非常重要。

理论上，只要压电扫描器驱动微悬臂探针和激光检测系统(即激光器和四象限接收器) 同步移动，就能实现探针运动方式的扫描探针显微镜，但在技术上，由于激光器和四象限接收器都具有一定的质量，尤其是激光器和接收器的精密位置调整机构(其在安装探针后进行调整，以确保入射激光打在悬臂梁前端、反射激光打到四象限接收器中央)质量和体积更大，将会使压电扫描器无法正常工作。

扫描探针显微镜在检测成像中，XY方向的扫描运动是规则的栅格运动，运动频率一般不会超过100Hz，但Z方向升降运动则必须根据扫描轨迹上样品的实际起伏实时准确地进行，其响应频率要比XY方向的高2个数量级，即10kHz以上。故如果将激光器和四象限接收器固定，控制升降的压电陶瓷只驱动质量很小的微悬臂探针运动，就能满足以上述要求。

但是，对于现有的激光检测扫描探针显微镜来说，样品表面起伏引起的探针悬臂梁弯曲和压电陶瓷驱动探针的升降都会使四象限接收器上的反射光斑上下移动，如图5所示。图5 中，1为激光器，2为四象限接收器，3为微悬臂探针，MUP为激光光斑上下移动，BUP为探针悬臂梁上下弯曲，GUP为探针悬臂梁上下升降。初始状态时，光斑位于接收器2中央，图5中(a)表示悬臂梁弯曲引起反射光束偏转和四象限接收器上的激光光斑上下移动的情形，图5中(a)中，悬臂梁向上弯曲，接收器2上的光斑向上移动；反之，悬臂梁向下弯曲，接收器2上的光斑向下移动。图5中(b)表示悬臂梁升降引起反射光束平移和四象限接收器上的激光光斑上下移动的情形，图5中(b)中，悬臂梁上升，接收器2上的光斑向上移动；反之，悬臂梁下降，接收器2上的光斑向下移动。

图5的这种结构，在检测成像时，扫描探针显微镜系统检测接收器2信号处理模块输出信号的变化得到探针悬臂梁的弯曲程度，以感知样品的表面起伏，并据此做出反应，驱动探针升降；而探针的升降又会引起接收器2上光斑上下移动，导致接收器2信号处理模块输出信号的变化。也就是说，探针悬臂梁的弯曲和压电陶瓷驱动探针的升降两种信号会混淆，容易引起控制的混乱而使系统无法工作。

为了克服上述信号混淆的问题，Park Systems公司开发了一种探针运动扫描探针显微镜系统，并基于该技术推出XE系列大样品扫描探针显微镜(以下简称方案1)。该仪器的结构如图6所示。图6中，1为激光器，2为微悬臂探针，3为四象限接收器，4为一对平行反射镜组，5为样品，6为Z方向升降压电陶瓷，7为XY方向扫描压电陶瓷。检测成像时，激光器1、平行反射镜组4固定不动，XY方向扫描压电陶瓷7驱动样品5做规则的栅格扫描运动， Z方向升降压电陶瓷6只需驱动微悬臂探针2和四象限接收器3在垂直方向根据样品表面起伏快速运动。方案1的关键在于引进了一对平行反射镜组4，它具有两个功能：1、在检测前安装探针2后，作为精密光学调整机构，使反射激光打到四象限接收器3的中央；2、使得微悬臂探针2和四象限接收器3一起升降时，接收器3上的反射激光光斑位置不变(图6中，虚线部分表示Z方向升降压电陶瓷6驱动微悬臂探针2和四象限接收器3下降时探针2、接收器3及反射光束的位置)。也就是说，只有探针2悬臂梁的弯曲才会使接收器3上的光斑上下移动。

Bruker公司开发了另一种探针扫描方式扫描探针显微镜系统，并基于该技术推出了 Dimension系列大样品扫描探针显微镜(以下简称方案2)。该仪器的结构如图7所示。图7中，1为激光器，2为管状压电陶瓷三维扫描器，3为微悬臂探针，4为入射激光束，5为入射光学系统，6为微悬臂梁反射激光束，7为反射光学系统，8为四象限接收器，9为被测样品。检测成像时，激光器1、反射光学系统7和四象限接收器8固定不动，压电陶瓷管状三维扫描器2驱动微悬臂探针3和入射光学系统5在样品9表面做规则的栅格水平扫描运动并根据样品9的表面起伏做快速垂直升降运动。方案2的关键在于：1、沿用了此前广泛应用于小样品高分辨研究型扫描探针显微镜系统的压电陶瓷管型三扫描器；2、引进了两个特殊设计的光学系统——入射光学系统和为反射光学系统。

压电陶瓷管型扫描器具有体积小、结构简单、稳定性好和驱动控制方便等优点，是目前结构最简单、辨率高且成本低廉的压电扫描器类型。如图8所示，压电陶瓷管扫描器对一个外壁电极进行四象限分割，并以分割得到的四个电极与内壁电极构成5个独立的电极，以实现X-Y-Z三维的运动。如图9所示，压电陶瓷管扫描器在X-Y平面内的扫描是通过改变X或 Y对电极电压(通常为施加电压相同，极性相对的电压)使压电陶瓷管一边伸长而另一边缩短所产生的弯曲来实现的，而Z方向运动是通过改变Z电极的电压，使4部分管壁同时伸长或缩短实现的。

如图10所示，方案2采用了压电陶瓷管作为扫描器，扫描时探针作球面运动，入射光学系统跟随微悬臂探针同步运动，但因其安装在压电扫描管中间而非末端，故其运动幅度小于微悬臂探针，因此，入射光学系统是一个特殊设计的透镜组，它的功能是保证入射激光束严格跟踪探针悬臂梁微悬。而悬臂梁反射激光束先进入反射光学系统，经反射光学系统打到四象限接收器上。从图10可知，由于探针作球面运动，在悬臂梁没有受力弯曲变形时，反射光束的角度也会发生变化。而经过特殊设计的反射光学系统，其作用就是补偿探针因扫描运动引起的反射光束的角度的变化，使四象限接收器上的光斑位置保持不变，也就是说，只有探针与样品相互作用引起悬臂梁弯曲变形才使四象限接收器上的光斑位置产生变化。

中国科学院上海光学精密机械研究所2008年在其申请号为00810202607.2名为“针尖扫描式原子力显微镜的光束跟踪装置”的发明专利中提出了一种探针扫描方式扫描探针显微镜技术(以下简称方案3)，该技术的结构如图11所示。图11中，1为激光器，2为准直透镜， 3为小孔光阑，4为Z扫描器，5为XY扫描器，6为汇聚透镜，7为连接件，8为微悬臂探针，9为成像透镜，10为四象限接收器，11为样品，12为底座。检测成像时，Z扫描器只驱动汇聚透镜6和微悬臂探针8升降运动，其余部分相对固定，并在XY扫描器的驱动下对样品12 进行同步平面扫描运动。实际上，方案3与方案2在结构上很接近，不同之处在于方案3采用了Z扫描器和XY扫描器两个分离的压电陶瓷来替代压电陶瓷管型三维扫描器，其在扫描成像时，可以保证探针和汇聚透镜垂直升降和在平面内平行运动，不会像方案2中因采用压电陶瓷管扫描器而产出扭动，故其保持入射激光跟踪探针悬臂梁和反射激光在四象限接收器上的光斑位置稳定实现起来比较简单，无需引入复杂的入射光学系统和为反射光学系统。方案3中，只要满足以下两个条件，就可到达光束跟踪目的，实现探针扫描方式的扫描探针显微镜：1、探针微悬臂安装在汇聚透镜的焦点处；2、四象限接收器安装在成像透镜的像方焦平面上。方案3在扫描过程中，会聚透镜和针尖没有相对移动，平行光通过会聚透镜始终会聚在焦点位置，而探针微悬臂又安装在汇聚透镜的焦点处，所以平行光经会聚透镜成的小光斑能很好地跟踪针尖的扫描运动，打到微悬臂背面；由于四象限接收器安装在成像透镜的像方焦平面上，其可以最大限度抑制微悬臂及反射光束的平移，使接收器上的光斑位置基本保持稳定。

以上现有的3种基于探针运动方式的扫描探针显微镜均存在以下缺陷或不足：

1)现有的3种基于探针运动方式的扫描探针显微镜都需要引进新的光学元件或光学系统 (方案1的反射镜组，方案2的入射光学系统和为反射光学系统，方案3的准直透镜、汇聚透镜和成像透镜)，来使探针弯曲与探针升降这两种运动方式在检测信号上完全解耦，结构复杂，成本较高。

2)现有的3种基于探针运动方式的扫描探针显微镜的扫描驱动装置除了控制探针升降之外，还要驱动其它相关部件同步运动(方案1的四象限接收器，方案2的入射光学系统，方案3的汇聚透镜)，增加了扫描驱动装置的实际载荷，降低了扫描驱动装置的响应频率，不利于系统实现快速扫描成像的功能。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于：提供一种结构简单、成本低，不会增加扫描驱动装置的实际载荷的，新型扫描探针显微镜的检测系统。

本发明的另一目的在于：提供一种结构简单、成本低，不会增加压电陶瓷的实际载荷的，新型扫描探针显微镜的检测方法。

本发明所采取的技术方案是：

一种新型扫描探针显微镜的检测系统，包括光源、微悬臂探针、四象限接收器和接收器信号处理模块，所述光源发出的入射光经微悬臂探针反射后形成反射光，所述反射光被四象限接收器所接收，所述四象限接收器的输出端与接收器信号处理模块的输入端连接，所述光源和四象限接收器调整后所固定的位置能使入射光的中心轴和反射光的中心轴所在的平面与微悬臂探针的悬臂梁伸展轴垂直。

进一步，所述四象限接收器接收面所在的平面与反射光的中心轴垂直，所述四象限接收器四象限的横轴与入射光的中心轴和反射光的中心轴所在的平面垂直。

进一步，所述检测系统在微悬臂探针的悬臂梁发生上下弯曲变形时将会引起四象限接收器上的光斑在x横轴方向上来回移动，且光斑在x横轴方向上来回移动的距离Δx的计算公式为：其中，l为微悬臂探针的悬臂梁长度，L为反射接收光程，α为入射光的入射角或反射光的反射角，Δs为微悬臂探针的悬臂梁向上弯曲或向下弯曲的竖直距离值，“+”代表微悬臂探针的悬臂梁向下弯曲变形，此时，光斑沿着+x轴方向移动；“-”代表微悬臂探针的悬臂梁向上弯曲变形，此时，光斑沿着-x轴方向移动。

进一步，所述检测系统在微悬臂探针的悬臂梁发生左右扭曲变形时将会引起四象限接收器上的光斑在y轴方向上上下移动，且光斑在y轴方向上上下移动的距离Δy1的计算公式为：Δy1＝2Δθ·L，其中，L为反射接收光程，Δθ为微悬臂探针前端的角度变化值。

进一步，所述检测系统在微悬臂探针的悬臂梁整体升降时将会引起四象限接收器上的光斑在y轴方向上上下移动，且光斑在y轴方向上上下移动的距离Δy2的计算公式为：其中，α为入射光的入射角或反射光的反射角，Δz为微悬臂探针的悬臂梁整体升降距离。

本发明所采取的另一技术方案是：

一种新型扫描探针显微镜的检测方法，包括以下步骤：

调整光源和四象限接收器的位置，直到入射光的中心轴和反射光的中心轴所在的平面与微悬臂探针的悬臂梁伸展轴垂直后进行固定；

四象限接收器采集经微悬臂探针反射后的反射光，并将采集的反射光转换为电信号，然后将转换后的电信号发送给接收器信号处理模块；

接收器信号处理模块对转换后的电信号进行处理，得到检测的结果。

进一步，所述四象限接收器接收面所在的平面与反射光的中心轴垂直，所述四象限接收器四象限的横轴与入射光的中心轴和反射光的中心轴所在的平面垂直。

进一步，所述接收器信号处理模块对转换后的电信号进行处理，得到检测的结果这一步骤，其包括：

接收器信号处理模块对转换后的电信号进行运算处理，解耦出微悬臂探针的弯曲变形信号；

接收器信号处理模块对转换后的电信号进行运算处理，解耦出微悬臂探针的扭曲变形信号。

进一步，所述接收器信号处理模块对转换后的电信号进行运算处理，解耦出微悬臂探针的弯曲变形信号这一步骤，其包括：

接收器信号处理模块对转换后的电信号进行运算处理，获取微悬臂探针的悬臂梁发生上下弯曲变形后光斑在x横轴方向上移动的距离Δx；

根据获取的距离Δx计算出微悬臂探针的悬臂梁向上弯曲或向下弯曲的竖直距离值Δs，所述Δs的计算公式为：其中，l为微悬臂探针的悬臂梁长度，L为反射接收光程，α为入射光的入射角或反射光的反射角。

进一步，所述接收器信号处理模块对转换后的电信号进行运算处理，解耦出微悬臂探针的扭曲变形信号这一步骤，其包括：

接收器信号处理模块对转换后的电信号进行运算处理，获取光斑在y轴方向上移动的总距离Δy；

获取微悬臂探针的悬臂梁整体升降距离Δz，并根据距离Δz计算因悬臂梁整体升降而引起的四象限接收器上的光斑在y轴方向上的移动距离Δy2，所述距离Δy2的计算公式为：其中，α为入射光的入射角或反射光的反射角；

将距离Δy减去距离Δy2，得到光斑因微悬臂探针的悬臂梁发生左右扭曲变形而在y轴方向上移动的距离Δy1；

根据距离Δy1计算微悬臂探针前端因左右扭曲变形而导致的角度变化值Δθ，所述Δθ的计算公式为：其中，L为反射接收光程。

本发明的系统的有益效果是：包括光源、微悬臂探针、四象限接收器和接收器信号处理模块，光源和四象限接收器调整后所固定的位置能使入射光的中心轴和反射光的中心轴所在的平面与微悬臂探针的悬臂梁伸展轴垂直，改变了传统光源和四象限接收器的空间位置，通过调整光源和四象限接收器所固定的位置来使入射光的中心轴和反射光的中心轴所在的平面与微悬臂探针的悬臂梁伸展轴垂直，实现了探针弯曲与探针升降这两种运动方式在检测信号上完全解耦，不需要增加任何新的光学元件或光学系统即可实现探针扫描方式的扫描探针显微镜，结构简单，成本低，且在微悬臂探针对样品进行扫描时光源和四象限接收器是固定的，扫描驱动装置以微悬臂探针作为唯一载荷，不会增加实际载荷，保证了扫描驱动装置的响应频率，有利于系统实现快速扫描成像的功能。

本发明的方法的有益效果是：包括调整光源和四象限接收器的位置，直到入射光的中心轴和反射光的中心轴所在的平面与微悬臂探针的悬臂梁伸展轴垂直后进行固定的步骤，改变了传统光源和四象限接收器的空间位置，通过调整光源和四象限接收器所固定的位置来使入射光的中心轴和反射光的中心轴所在的平面与微悬臂探针的悬臂梁伸展轴垂直，实现了探针弯曲与探针升降这两种运动方式在检测信号上完全解耦，不需要增加任何新的光学元件或光学系统即可实现探针扫描方式的扫描探针显微镜，结构简单，成本低，且在微悬臂探针对样品进行扫描时光源和四象限接收器是固定的，扫描驱动装置以微悬臂探针作为唯一载荷，不会增加实际载荷，保证了扫描驱动装置的响应频率，有利于系统实现快速扫描成像的功能。

附图说明

图1为现有激光扫描探针显微镜的结构示意图；

图2为现有基于四象限接收器的激光检测扫描探针显微镜的一种结构示意图；

图3为图2的探针悬臂梁上下摆动时的运动示意图；

图4为图2的探针悬臂梁前端左右扭动时的运动示意图；

图5为现有的激光检测扫描探针显微镜接收器光斑上下移动的原理图；

图6为方案1的结构示意图；

图7为方案2的结构示意图；

图8为现有压电陶瓷管扫描器的俯视图；

图9为现有压电陶瓷管扫描器的主视图；

图10为方案2进行球面运动的过程示意图；

图11为方案3的结构示意图；

图12为本发明的新型扫描探针显微镜的结构示意图；

图13A为本发明的新型扫描探针显微镜的检测系统示意图；

图13B为传统的扫描探针显微镜的检测系统示意图；

图14A为本发明的新型扫描探针显微镜的立体结构示意图；

图14B为传统的扫描探针显微镜的立体结构示意图；

图15为本发明新型扫描探针显微镜的探针悬臂梁上下弯曲变形时的运动示意图；

图16为本发明新型扫描探针显微镜的探针悬臂梁左右扭曲变形时的运动示意图；

图17为本发明新型扫描探针显微镜的探针悬臂梁整体升降时的运动示意图；

图18为采用本发明的激光器-微悬臂探针-接收器结构的扫描探针显微镜实际结构示意图；

图19为本发明新型扫描探针显微镜的探针悬臂梁向上弯曲变形时的运动示意图；

图20为本发明新型扫描探针显微镜的探针悬臂梁向左扭曲变形时的运动示意图；

图21为本发明新型扫描探针显微镜的探针悬臂梁整体上升时的运动示意图；

图22为将本发明的激光器-微悬臂探针-接收器结构用于样品扫描方式的扫描探针显微镜时的结构示意图；

图23为采用本发明的激光器-微悬臂探针-接收器结构的探针运动式扫描探针显微镜的具体结构示意图。

具体实施方式

参照图12、图13A和图14B，一种新型扫描探针显微镜的检测系统，包括光源1、微悬臂探针2、四象限接收器3和接收器信号处理模块8，所述光源1发出的入射光4经微悬臂探针2反射后形成反射光5，所述反射光5被四象限接收器3所接收，所述四象限接收器3的输出端与接收器信号处理模块8的输入端连接，所述光源1和四象限接收器3调整后所固定的位置能使入射光4的中心轴和反射光5的中心轴所在的平面与微悬臂探针2的悬臂梁伸展轴垂直。

其中，光源1可采用激光器或其它光源。系统中微悬臂探针的驱动装置可选用压电陶瓷。

参照图12、图13A和图14B，进一步作为优选的实施方式，所述四象限接收器3接收面所在的平面与反射光5的中心轴垂直，所述四象限接收器3四象限的横轴与入射光4的中心轴和反射光5的中心轴所在的平面垂直。

参照图15、图18和图19，进一步作为优选的实施方式，所述检测系统在微悬臂探针的悬臂梁发生上下弯曲变形时将会引起四象限接收器上的光斑在x横轴方向上来回移动，且光斑在x横轴方向上来回移动的距离Δx的计算公式为：其中，l为微悬臂探针的悬臂梁长度，L为反射接收光程，α为入射光的入射角或反射光的反射角，Δs为微悬臂探针的悬臂梁向上弯曲或向下弯曲的竖直距离值，“+”代表微悬臂探针的悬臂梁向下弯曲变形，此时，光斑沿着+x轴方向移动；“-”代表微悬臂探针的悬臂梁向上弯曲变形，此时，光斑沿着-x轴方向移动。

参照图16、图18和图20，进一步作为优选的实施方式，所述检测系统在微悬臂探针的悬臂梁发生左右扭曲变形时将会引起四象限接收器上的光斑在y轴方向上上下移动，且光斑在y轴方向上上下移动的距离Δy1的计算公式为：Δy1＝2Δθ·L，其中，L为反射接收光程，Δθ为微悬臂探针前端的角度变化值。

参照图17、图18和图21，进一步作为优选的实施方式，所述检测系统在微悬臂探针的悬臂梁整体升降时将会引起四象限接收器上的光斑在y轴方向上上下移动，且光斑在y轴方向上上下移动的距离Δy2的计算公式为：其中，α为入射光的入射角或反射光的反射角，Δz为微悬臂探针的悬臂梁整体升降距离。

一种新型扫描探针显微镜的检测方法，包括以下步骤：

调整光源和四象限接收器的位置，直到入射光的中心轴和反射光的中心轴所在的平面与微悬臂探针的悬臂梁伸展轴垂直后进行固定；

四象限接收器采集经微悬臂探针反射后的反射光，并将采集的反射光转换为电信号，然后将转换后的电信号发送给接收器信号处理模块；

接收器信号处理模块对转换后的电信号进行处理，得到检测的结果。

本发明在设计探头时，设置光源和四象限接收器的位置，使入射光的中心轴和反射光的中心轴所在的平面与微悬臂探针的悬臂梁伸展轴垂直，并在探头安装时根据上述要求进行调整和固定。

进一步作为优选的实施方式，所述四象限接收器接收面所在的平面与反射光的中心轴垂直，所述四象限接收器四象限的横轴与入射光的中心轴和反射光的中心轴所在的平面垂直。

进一步作为优选的实施方式，所述接收器信号处理模块对转换后的电信号进行处理，得到检测的结果这一步骤，其包括：

接收器信号处理模块对转换后的电信号进行运算处理，解耦出微悬臂探针的弯曲变形信号；

接收器信号处理模块对转换后的电信号进行运算处理，解耦出微悬臂探针的扭曲变形信号。

进一步作为优选的实施方式，所述接收器信号处理模块对转换后的电信号进行运算处理，解耦出微悬臂探针的弯曲变形信号这一步骤，其包括：

接收器信号处理模块对转换后的电信号进行运算处理，获取微悬臂探针的悬臂梁发生上下弯曲变形后光斑在x横轴方向上移动的距离Δx；

根据获取的距离Δx计算出微悬臂探针的悬臂梁向上弯曲或向下弯曲的竖直距离值Δs，所述Δs的计算公式为：其中，l为微悬臂探针的悬臂梁长度，L为反射接收光程，α为入射光的入射角或反射光的反射角。

进一步作为优选的实施方式，所述接收器信号处理模块对转换后的电信号进行运算处理，解耦出微悬臂探针的扭曲变形信号这一步骤，其包括：

接收器信号处理模块对转换后的电信号进行运算处理，获取光斑在y轴方向上移动的总距离Δy；

获取微悬臂探针的悬臂梁整体升降距离Δz，并根据距离Δz计算因悬臂梁整体升降而引起的四象限接收器上的光斑在y轴方向上的移动距离Δy2，所述距离Δy2的计算公式为：其中，α为入射光的入射角或反射光的反射角；

将距离Δy减去距离Δy2，得到光斑因微悬臂探针的悬臂梁发生左右扭曲变形而在y轴方向上移动的距离Δy1；

根据距离Δy1计算微悬臂探针前端因左右扭曲变形而导致的角度变化值Δθ，所述Δθ的计算公式为：其中，L为反射接收光程。

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步解释和说明。

实施例1

针对现有技术需要引进新的光学元件或光学系统以及会增加扫描驱动装置的实际载荷的问题，本发明提出了一种新型扫描探针显微镜的检测方法和系统。

如图12所示，本实施例提出了一种新的探针运动方式的扫描探针显微镜实现方案，无需增加任何光学系统或元件，通过改变激光器和四象限接收器的空间位置，使入射激光束中心轴、反射激光束中心轴所在的平面与微悬臂探针的悬臂梁伸展轴垂直，达到探针弯曲与探针升降两种运动方式在检测信号上完全解耦的目的。图12中(a)、(b)、(c)和(d)分别为三维立体图、俯视图、前视图和侧视图。

而图13A为本实施例的检测系统实现方案，图13B为激光检测扫描探针显微镜的传统实现方案，图13A和图13B中(a)、(b)、(c)、(d)和(e)分别为三维立体图、俯视图、前视图、侧视图和四象限接收器及信号处理模块示意图；其中，1为激光器，2为微悬臂探针， 3为四象限接收器，4为入射激光束，5为微悬臂梁反射激光束，6为样品，7为四象限接收器靶面上的光斑，8为接收器信号处理模块。四象限接收器把落在每个象限上的光信号分别转变成4路电信号，再由信号处理模块对这4路电信号进行简单的运算处理，将探针微悬臂弯曲引起的接收器上光斑移动转变成输出电信号的变化。

根据背景技术部分的介绍，传统的激光检测扫描探针显微镜技术方案，其探针悬臂梁弯曲和压电陶瓷驱动探针的升降都会使四象限接收器上的反射光斑上下移动，如果将其应用于探针运动方式的扫描探针显微镜，将引起反馈控制的混乱而使系统无法工作，故该方案只能应用于样品扫描方式。而本发明在设计探头时，设置光源和四象限接收器的位置，使入射光的中心轴和反射光的中心轴所在的平面与微悬臂探针的悬臂梁伸展轴垂直，并在探头安装时根据上述要求进行调整和固定。

图14A和图14B则详细比较本实施例和传统的实现方案两者的差异。图14A为激光检测扫描探针显微镜的传统实现方案，图14B为本实施例的实现方案。图14A和图14B中，平面α为探针微悬臂的背面(即激光反射面)，i为入射光束光轴，点P为激光入射光束在反射面的中心点(即入射光束光轴与平面α的交点)，t为悬臂梁的伸展方向中心线(即悬臂梁伸展轴，其在平面α内，过点P)，n为平面α在点P的法线，r为反射光束光轴。图14A传统的实现方案，通过探头结构上激光器和接收器空间位置的安排，使入射光光轴i、反射光光轴r 和法线n所在的平面β与平面α垂直且经过t，也就是说i、r、t和n共面。与传统方案不同，图14B本实施例的方案，通过改变探头结构上激光器和接收器的空间位置，使入射光光轴i 和反射光光轴r所在的平面β与t垂直，四象限接收器接收面所在的平面γ与反射光光轴r垂直，O为反射光光轴r与平面γ的交点，O也是接收器上的象限的原点，接收器上的四象限的横轴(x轴)分别与平面α以及入射光光轴i和反射光光轴r所在的平面β垂直。也就是说，本实施例的关键在于激光器、接收器和探针三者的空间位置必须满足以下3个条件：1、入射光光轴和反射光光轴所在的平面与悬臂梁的伸展方向中心线垂直(β⊥t)；2、四象限接收器接收面所在的平面γ与反射光光轴r垂直(γ⊥r)；3、接收器四象限的横轴与入射光轴和反射光轴所在的平面垂直(x⊥β)。

激光检测扫描探针显微镜的原始信号来自探针纳米级的针尖与样品的相互作用，该作用以力的形式表现出来，可通过探针悬臂梁的变形，用光学方法进行检测。悬臂梁的运动基本可以分为：1、上下弯曲变形；2、左右扭曲变形。对于探针运动方式的扫描探针显微镜来说，悬臂梁的运动还有一种方式，那就是：3、悬臂梁整体升降。这三种运动方式中，第一种运动方式即悬臂梁的上下弯曲变形最为关键，它是整个扫描探针显微镜控制系统的起始。探针对样品进行扫描时，反馈控制系统对样品表面高低起伏引起的悬臂梁上下弯曲进行实时检测，并快速响应，自动控制探针(或样品)升降以抵消其表面高低起伏，将探针微悬臂形变保持在一个微小(纳米级)的范围内，从而得到样品表面形貌及其信息。

以下对本发明的方案中上述三种运动对应检测方式进行详细说明：

对于悬臂梁的第一种运动方式来说，探针微悬臂的上下弯曲微变形会导致作为激光反射面的微悬臂前端的角度变化，反射激光束也会产生相应的偏转，故投射到接收器上的光斑位置也会产生相应的移动。如图15所示，基于本发明的激光器-微悬臂探针-接收器结构，根据反射定律，探针悬臂梁的上下弯曲BUP将引起接收器上光斑在x轴方向上来回移动MLR。

对于悬臂梁的第二种运动方式来说，探针微悬臂的左右扭曲同样也会导致作为激光反射面的微悬臂前端的角度变化，反射激光束也会产生相应的偏转，故投射到接收器上的光斑位置也会产生相应的移动。如图16所示，探针悬臂梁的左右扭曲TLR将引起接收器上的光斑在y轴方向上上下移动MUP。

对于悬臂梁的第三种运动方式来说，探针微悬臂整体的升降会导致作为激光反射面的微悬臂前端的上下平移，反射激光束虽然不会发生角度的偏转，但会产生同向平移，故投射到接收器上的光斑位置也会产生相应的移动。如图17所示，探针微悬臂的升降GUP会将引起接收器上的光斑在y轴方向上上下移动MUP。

由此可见，本实施例的实现方案中，光斑在四象限接收器x轴方向上的移动是由探针悬臂梁的弯曲引起的，与微悬臂的扭曲和升降无关，微悬臂的扭曲和升降只会引起光斑在四象限接收器上y轴方向上移动。也就是说，本实施例的实现方案，无需借助任何附加的光学器件或系统，即可实现探针弯曲与探针升降这两种运动方式在检测信号上的完全解耦。

而根据反射定律和简单的几何计算，可以得到本实施例探针微悬臂三种运动方式的定量结果。

基于本发明的方案所设计的扫描探针显微镜实际结构可如图18所示，l为探针的悬臂梁长度，L为反射接收光程，α为激光入射角或反射角。对于实际扫描探针显微镜来说，商品化探针的l为50～500μm，反射接收光程和入射角可按探头的实际结构需求进行设计，一般L 为20～100mm，α为15°～45°。

对于悬臂梁的上下弯曲运动方式，其一种运动方式如图19所示，假设探针受到样品的斥力上升Δs，引起微悬臂的弯曲微变形，导致光斑在接收器上移动了距离Δx。在扫描的过程中，Δs一般应控制在10nm内，而现有的悬臂梁的力常数为0.1～100N/m，过大的Δs意味着针尖与样品的相互作用力增大，这会造成样品的表面损伤和探针的针尖被破坏。故在扫描的过程中，样品表面的高低起伏实际是由反馈系统实时控制探针或样品升降来抵消掉。根据反射定律和空间几何知识，可推导出：

式(1)中，负号表示针尖上升(即向上弯曲变形)，光斑向-x轴方向移动。

对于悬臂梁的第二种运动方式，其一种运动方式如图20所示，假设探针受到样品表面的切向力，引起微悬臂扭曲，微悬臂前端的角度变化为Δθ，导致光斑在接收器上移动了距离Δy1。在扫描的过程中，样品和探针间的法向力为nN量级，故因相对运动产生的针尖切向力引起的悬臂梁扭曲，其Δθ为10^-4～10^-3量级(弧度角)。根据反射定律和空间几何知识，可推导出：

Δy1＝2Δθ·L (2)

对于悬臂梁的第三种运动方式，其一种运动方式如图21所示，假设探针受到Z向压电陶瓷的驱动而整体上升Δz，导致光斑在接收器上移动了距离Δy2。对于采用样品扫描方式的扫描探针显微镜来说，由于其探针固定不动，无需考虑该运动方式；而对于探针运动方式扫描方式的扫描探针显微镜来说，扫描过程中探针的升降是为了抵消样品的表面起伏，因此，根据样品表面的粗糙度和和样品的倾斜，Δz为10μm量级。而根据反射定律和空间几何知识，可推导出：

本发明的激光器-微悬臂探针-接收器结构，还可代替传统的技术方案，应用于样品扫描方式的扫描探针显微镜，如图22所示。图22中，1为激光器，2为微悬臂探针，3为四象限接收器，6为样品，9为XYZ三维压电陶瓷扫描器。

如上所述，本发明无需增加其他光学系统或元件而实现了探针弯曲与探针升降两种运动方式在检测信号上的完全解耦，更适合探针运动方式的扫描探针显微镜，如图23所示。图 23中(a)为探针垂直升降、样品平面的一种探针运动式扫描探针显微镜示意图，图23中(b) 为探针扫描方式的另一种扫描探针显微镜示意图。图23中，1为激光器，2为微悬臂探针，3 为四象限接收器，6为样品，10为Z方向升降压电陶瓷，11为XY方向扫描压电陶瓷。在这两种方式中，图23中(b)所示的探针扫描方式扫描探针显微镜，Z方向升降压电陶瓷驱动微悬臂探针根据样品表面起伏快速运动，XY方向扫描压电陶瓷驱动包括探针、Z方向升降压电陶瓷、激光器和接收器做规则的栅格扫描运动，其检测过程中样品保持固定，因此，该方式原理上对样品没有空间尺寸和质量的限制，适用性更为广泛。

在扫描探针显微镜的一些应用中，如研究材料的微观摩擦特性或平面内极化性质等，需要同步记录扫描过程中探针悬臂梁扭曲的数据即光斑在接收器上y轴方向的位移量Δy1。从前面的分析可知，探针的升降也会引起光斑在接收器上y轴方向的位移，不过扫描探针显微镜的实时反馈控制系统的输入信号源及最终控制目标都是探针的弯曲变形，即光斑在接收器上x轴方向的位移，不受探针升降的影响，且探针扭曲可以通过同步采集微悬臂的升降Δz和 y轴方向的总位移Δy，由式(3)和Δy通过简单计算扣除探针升降的影响，得到实际的探针扭曲信号Δy1。

传统的激光检测扫描探针显微镜通过设置激光器和四象限接收器的空间位置，使入射激光束中心轴、反射激光束中心轴与微悬臂探针的悬臂梁伸展轴位于同一平面，且该平面与悬臂梁的反射面垂直。而本发明则改变了原有的激光器和四象限接收器的传统空间位置，使入射激光束中心轴、反射激光束中心轴所在的平面与微悬臂探针的悬臂梁伸展轴垂直。本发明的这种结构设计，会因针尖与样品间相互作用的法向力产生的探针悬臂梁弯曲，引起反射光斑在四象限接收器上作水平移动；并会因探针为抵消样品表面起伏而使悬臂梁升降产生的反射光斑的在四象限接收器上作垂直移动；故微悬臂探针的弯曲和升降这两种运动在检测信号上不会互相耦合。因此，无需采用任何透镜和反射镜组等光学元件或系统，本发明即可满足探针扫描方式的扫描探针显微镜的要求。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)采用了入射光的中心轴和反射光的中心轴所在的平面与微悬臂探针的悬臂梁伸展轴垂直的扫描探针显微镜检测结构，使探针弯曲与探针升降两种运动方式在检测信号上能完全解耦，不会造成信号混乱，更加可靠。

2)采用了入射光的中心轴和反射光的中心轴所在的平面与微悬臂探针的悬臂梁伸展轴垂直的扫描探针显微镜检测结构，可实现探针Z方向升降、样品XY方向扫描的扫描探针显微镜，使得质量很小的微悬臂探针为控制其快速升降的压电陶瓷唯一载荷，对压电陶瓷的响应频率几乎没有影响，故系统可快速和精确的控制探针根据样品的表面起伏进行升降，可以实现快速扫描成像的功能。

3)采用了入射光的中心轴和反射光的中心轴所在的平面与微悬臂探针的悬臂梁伸展轴垂直的扫描探针显微镜检测结构，可实现样品固定、探针扫描的扫描探针显微镜，使得质量很小的微悬臂探针是控制其快速升降的压电陶瓷唯一载荷，对压电陶瓷的响应频率几乎没有影响，故系统可快速和精确的控制探针按样品的表面起伏进行升降；而在检测成像中，XY方向的扫描运动是规则的栅格运动，运动频率一般不会超过100Hz，XY方向的压电陶瓷虽然需要带动探针、Z方向升降压电陶瓷、激光器、四象限接收器及相应精密光路调整机构运动，但也完全能满足上述要求。由于其在检测过程中样品不需运动，该方式的扫描探针显微镜理论上对样品的质量和尺寸没有限制，可用于超大质量和超大尺寸的样品的无损检测。

此外，本发明的原理和技术说明虽然基于扫描探针显微镜，但对于其他光杠杆检测原理的微力检测设备，如采用弹性梁激光反射的纳米压痕仪、台阶仪等同样适用。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种新型扫描探针显微镜的检测系统，其特征在于：包括光源、微悬臂探针、四象限接收器和接收器信号处理模块，所述光源发出的入射光经微悬臂探针反射后形成反射光，所述反射光被四象限接收器所接收，所述四象限接收器的输出端与接收器信号处理模块的输入端连接，所述光源和四象限接收器调整后所固定的位置能使入射光的中心轴和反射光的中心轴所在的平面与微悬臂探针的悬臂梁伸展轴垂直。

2.根据权利要求1所述的一种新型扫描探针显微镜的检测系统，其特征在于：所述四象限接收器接收面所在的平面与反射光的中心轴垂直，所述四象限接收器四象限的横轴与入射光的中心轴和反射光的中心轴所在的平面垂直。

3.根据权利要求2所述的一种新型扫描探针显微镜的检测系统，其特征在于：所述检测系统在微悬臂探针的悬臂梁发生上下弯曲变形时将会引起四象限接收器上的光斑在x横轴方向上来回移动，且光斑在x横轴方向上来回移动的距离Δx的计算公式为：其中，l为微悬臂探针的悬臂梁长度，L为反射接收光程，α为入射光的入射角或反射光的反射角，Δs为微悬臂探针的悬臂梁向上弯曲或向下弯曲的竖直距离值，“+”代表微悬臂探针的悬臂梁向下弯曲变形，此时，光斑沿着+x轴方向移动；“-”代表微悬臂探针的悬臂梁向上弯曲变形，此时，光斑沿着-x轴方向移动。

4.根据权利要求2所述的一种新型扫描探针显微镜的检测系统，其特征在于：所述检测系统在微悬臂探针的悬臂梁发生左右扭曲变形时将会引起四象限接收器上的光斑在y轴方向上上下移动，且光斑在y轴方向上上下移动的距离Δy1的计算公式为：Δy1＝2Δθ·L，其中，L为反射接收光程，Δθ为微悬臂探针前端的角度变化值。

5.根据权利要求2、3或4所述的一种新型扫描探针显微镜的检测系统，其特征在于：所述检测系统在微悬臂探针的悬臂梁整体升降时将会引起四象限接收器上的光斑在y轴方向上上下移动，且光斑在y轴方向上上下移动的距离Δy2的计算公式为：其中，α为入射光的入射角或反射光的反射角，Δz为微悬臂探针的悬臂梁整体升降距离。

6.一种新型扫描探针显微镜的检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

调整光源和四象限接收器的位置，直到入射光的中心轴和反射光的中心轴所在的平面与微悬臂探针的悬臂梁伸展轴垂直后进行固定；

四象限接收器采集经微悬臂探针反射后的反射光，并将采集的反射光转换为电信号，然后将转换后的电信号发送给接收器信号处理模块；

接收器信号处理模块对转换后的电信号进行处理，得到检测的结果。

7.根据权利要求6所述的一种新型扫描探针显微镜的检测方法，其特征在于：所述四象限接收器接收面所在的平面与反射光的中心轴垂直，所述四象限接收器四象限的横轴与入射光的中心轴和反射光的中心轴所在的平面垂直。

8.根据权利要求7所述的一种新型扫描探针显微镜的检测方法，其特征在于：所述接收器信号处理模块对转换后的电信号进行处理，得到检测的结果这一步骤，其包括：

接收器信号处理模块对转换后的电信号进行运算处理，解耦出微悬臂探针的弯曲变形信号；

接收器信号处理模块对转换后的电信号进行运算处理，解耦出微悬臂探针的扭曲变形信号。

9.根据权利要求8所述的一种新型扫描探针显微镜的检测方法，其特征在于：所述接收器信号处理模块对转换后的电信号进行运算处理，解耦出微悬臂探针的弯曲变形信号这一步骤，其包括：

接收器信号处理模块对转换后的电信号进行运算处理，获取微悬臂探针的悬臂梁发生上下弯曲变形后光斑在x横轴方向上移动的距离Δx；

根据获取的距离Δx计算出微悬臂探针的悬臂梁向上弯曲或向下弯曲的竖直距离值Δs，所述Δs的计算公式为：其中，l为微悬臂探针的悬臂梁长度，L为反射接收光程，α为入射光的入射角或反射光的反射角。

10.根据权利要求8或9所述的一种新型扫描探针显微镜的检测方法，其特征在于：所述接收器信号处理模块对转换后的电信号进行运算处理，解耦出微悬臂探针的扭曲变形信号这一步骤，其包括：

接收器信号处理模块对转换后的电信号进行运算处理，获取光斑在y轴方向上移动的总距离Δy；

获取微悬臂探针的悬臂梁整体升降距离Δz，并根据距离Δz计算因悬臂梁整体升降而引起的四象限接收器上的光斑在y轴方向上的移动距离Δy2，所述距离Δy2的计算公式为：其中，α为入射光的入射角或反射光的反射角；

将距离Δy减去距离Δy2，得到光斑因微悬臂探针的悬臂梁发生左右扭曲变形而在y轴方向上移动的距离Δy1；

根据距离Δy1计算微悬臂探针前端因左右扭曲变形而导致的角度变化值Δθ，所述Δθ的计算公式为：其中，L为反射接收光程。