CN108693383B - 一种应用于扫描探针显微镜的传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种应用于扫描探针显微镜的传感器，包含：底座、位于底座上侧的绝缘承载层、位于绝缘承载层上的第一石英晶振、第二石英晶振、以及探针；第二石英晶振的基座部配置于第一石英晶振的第一叉脚上，探针配置于第二石英晶振的第一叉脚上；第一石英晶振和第二石英晶振两者各叉脚的延伸方向相同，且两者的谐振频率不同。本发明的传感器具有结构简单的优点，且本发明的传感器具有多频原位激发/检测功能，因此具有更高的灵敏度和分辨率。

Description

一种应用于扫描探针显微镜的传感器

技术领域

本发明涉及扫描探针显微镜技术，具体地，涉及一种应用于扫描探针显微镜的传感器。

背景技术

扫描探针显微镜是所有机械式地用探针在样本上扫描移动以探测样本影像的显微镜的统称，主要包括原子力显微镜、激光力显微镜、磁力显微镜等。目前用于科研和商业化生产的扫描探针显微镜多采用微悬臂针尖一体化传感器。在检测样品时，微悬臂结构微传感器的探针针尖接近待测样品表面，针尖的原子与样品表面的原子发生相互作用，作用力传到与探针相连的微悬臂上，微悬臂产生形变或运动状态发生变化，通过激光检测微悬臂随样品表面起伏变化的变化信息，以获得样品表面的信息。微悬臂结构微力传感器的品质因数较低，其导致应用该微悬臂结构的原子力显微镜的测试灵敏度低且稳定性差；同时现有的微悬臂传感器技术需要借助激光结构进行辅助，现有的激光结构通常较难适应极端环境的要求，间接导致采用微悬臂技术的显微镜无法在超低温、超高真空等极端环境进行测试。针对此状况，特提出本申请。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种应用于扫描探针显微镜的传感器，以解决现有的采用微悬臂结构的传感器存在的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种应用于扫描探针显微镜的传感器，包含：底座、位于底座上侧的绝缘承载层、位于绝缘承载层上的第一石英晶振、第二石英晶振、以及探针；第一石英晶振的第一叉脚和第一石英晶振的第二叉脚上下相对设置，第二石英晶振的第一叉脚和第二石英晶振的第二叉脚上下相对设置，且第一石英晶振的第一叉脚、第一石英晶振的第二叉脚、第二石英晶振的第一叉脚和第二石英晶振的第二叉脚沿同一方向延伸；第一石英晶振的第二叉脚配置于绝缘承载层上，第二石英晶振的基座部配置于第一石英晶振的第一叉脚上，探针配置于第二石英晶振的第一叉脚上；第一石英晶振和第二石英晶振两者的谐振频率不同，且第一石英晶振的两接线端分别对应电连接于第二石英晶振的两接线端。

较佳地，所述底座为长方体，且其上侧开设有凹槽，所述凹槽自底座的一侧部向与该一侧部相对的另一侧部延伸，且所述凹槽的延伸方向与第一石英晶振和第二石英晶振两者各叉脚的延伸方向相同；所述绝缘承载层位于所述凹槽上侧。

较佳地，所述第一石英晶振、第二石英晶振不处于所述凹槽的正上方。

较佳地，所述凹槽为截面为V型状的凹槽。

较佳地，所述凹槽的深度为2mm至4mm，所述凹槽上侧的宽度为1mm至3mm。

较佳地，所述第一石英晶振为无源石英晶振，且其谐振频率为20kHz至100kHz；所述第二石英晶振为无源石英晶振，且其谐振频率为100kHz至200kHz。

较佳地，所述第二石英晶振通过玻璃浆料焊接于所述第一石英晶振的第一叉脚上。

较佳地，所述探针为钨探针、铂铱合金探针、碳纤维探针或金探针。

较佳地，所述探针为碳纤维探针，所述碳纤维探针的直径为5um至10um，所述碳纤维探针针尖的曲率半径为5nm至100nm。

较佳地，所述第二石英晶振的第一叉脚的上端面与第一石英晶振的第一叉脚的上端面平齐。

通过采用上述技术方案，本发明可以取得以下技术效果：

1、本发明的传感器具有结构简单的优点，且本发明的传感器的石英晶振是自激发/自检测的，不需要类似现有的微悬臂需要借助激光系统；

2、本发明的传感器通过在底座的上侧开设凹槽，进而可以较为方便地将绝缘承载层自底座脱离，以便重复利用底座；

3、应用有本发明的传感器的扫描探针显微镜可以通过检测低频振动信号得到样品的表面图像，通过检测高频振动信号得到样品表面的力学性质信息，并通过检测探针电信号得到样品表面的电学性质信息；

4、本发明的传感器具有多频原位激发/检测功能，因此具有更高的灵敏度和分辨率。

附图说明

图1和图2分别绘示了本发明一实施例的应用于扫描探针显微镜的传感器不同视角下的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

结合图1和图2，在一实施例中，本发明应用于扫描探针显微镜的传感器，包含：底座1、位于底座1上侧的绝缘承载层2、位于绝缘承载层2上的第一石英晶振3、第二石英晶振4、以及探针5；第二石英晶振4的基座部配置于第一石英晶振3的第一叉脚6上，探针5配置于第二石英晶振4的第一叉脚8上；第一石英晶振3和第二石英晶振4两者的谐振频率不同。第一石英晶振3具有第一叉脚6和第二叉脚7，第一叉脚6位于第二叉脚7上侧。第二石英晶振4具有第一叉脚8和第二叉脚9。第一石英晶振3的第一叉脚6和第一石英晶振3的第二叉脚7上下相对设置，第二石英晶振4的第一叉脚8和第二石英晶振4的第二叉脚9上下相对设置，且第一石英晶振3的第一叉脚6、第一石英晶振3的第二叉脚7、第二石英晶振4的第一叉脚8和第二石英晶振4的第二叉脚9沿同一方向延伸；第一石英晶振3的第二叉脚7配置于绝缘承载层2上。探针5向上伸出，其针尖部分高于第二石英晶振4的第一叉脚8的上端面8A和第一石英晶振3的第一叉脚6的上端面6C。第一石英晶振3具有第一接线端3A和第二接线端3B，第一石英晶振3的第一叉脚6上还具有与第一接线端3A电连接的辅助接线端6A、和与第二接线端3B电连接的辅助接线端6B。第二石英晶振4具有第一接线端4A、第二接线端4B。第一接线端3A和辅助接线端6A可通过镀设于第一石英晶振3表面的导电镀层(图未示)电连接，第二接线端3B和辅助接线端6B可通过镀设于第一石英晶振3表面的导电镀层(图未示)电连接。辅助接线端6A可通过导电胶(图未示)电连接于第二石英晶振4的第一接线端4A，辅助接线端6B可通过导电胶(图未示)电连接于第二石英晶振4的第二接线端4B。外部驱动和检测装置可分别连接于第一接线端3A和第二接线端3B。本申请的传感器在应用于扫描探针显微镜时，两个晶振可同时以各自的谐振频率振动，且两者的谐振频率不同，通过检测两个晶振各自的反馈信号来获得检测信息。绝缘承载层2例如为氧化铝陶瓷片，或其它常见的能够满足第一石英晶振3工作要求的材质。

底座1可为长方体，且其上侧开设有凹槽1A，所述凹槽1A自底座1的一侧部向与该一侧部相对的另一侧部延伸，且凹槽1A的延伸方向与第一石英晶振3和第二石英晶振4两者各叉脚的延伸方向相同；绝缘承载层2位于所述凹槽1A上侧。凹槽1A为截面为V型状的凹槽。凹槽1A的深度可为2mm至4mm，例如2mm。凹槽1A上侧的宽度为1mm至3mm，例如为1mm。底座1的重量可为10g-15g，例如15g。底座1可为金属底座。第一石英晶振3、第二石英晶振4不处于凹槽1A的正上方，即底座1正对于第一石英晶振3、第二石英晶振4的部分都为实体结构，其有助于提高传感器的品质因数。

绝缘承载层2的尺寸可为8mm(长度)×6mm(宽度)×1mm(厚度)。

第一石英晶振3可为无源石英晶振，且其谐振频率可为20kHz至100kHz，如32.768kHz。第二石英晶振4可为无源石英晶振，且其谐振频率为100kHz至200kHz，例如为153.6kHz。各晶振的参数可根据实际产品的设计需要进行选择。

第二石英晶振4通过玻璃浆料10焊接于第一石英晶振3的第一叉脚6上。探针5可为钨探针、铂铱合金探针、碳纤维探针、金探针等导电性探针。探针5的针尖部分可用电化学腐蚀法、机械抛光法、电化学研磨法等制备。当探针5为碳纤维探针，碳纤维探针的直径为5um至10um，例如7um。碳纤维探针针尖的曲率半径为5nm至100nm，例如50nm。针尖尺寸为纳米级的探针有助于提高传感器的检测精度。玻璃浆料例如为KOARTAN公司牌号为5635的玻璃浆料。为了使探针的针尖长度能够尽量小以提高测试稳定性，本实施例的第二石英晶振4的第一叉脚8的上端面8A与第一石英晶振3的第一叉脚6的上端面6C平齐，在上端面8A与上端面6C相平齐的情况下，探针5的针尖长度可以最小的尺寸进行设计。

第一石英晶振3可通过粘接材料11粘接于绝缘承载层2上，且所使用的胶例如为热熔胶。绝缘承载层2亦可通过粘接材料粘接于底座1上。

本发明可以取得以下技术效果：本发明的传感器具有结构简单的优点，传感器通过在底座的上侧开设凹槽，进而可以较为方便地将绝缘承载层自底座脱离，以便重复利用底座；应用有本发明的传感器的扫描探针显微镜可以通过检测低频振动信号得到样品的表面图像，通过检测高频振动信号得到样品表面的力学性质信息，并通过检测探针电信号得到样品表面的电学性质信息；本发明的传感器具有多频原位激发/检测功能，因此具有更高的灵敏度和分辨率。

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种应用于扫描探针显微镜的传感器，其特征在于，包含：底座(1)、可拆卸地配置于底座(1)上侧的绝缘承载层(2)、位于绝缘承载层(2)上的第一石英晶振(3)、第二石英晶振(4)、以及探针(5)；第一石英晶振(3)的第一叉脚(6)和第一石英晶振(3)的第二叉脚(7)上下相对设置，第二石英晶振(4)的第一叉脚(8)和第二石英晶振(4)的第二叉脚(9)上下相对设置，且第一石英晶振(3)的第一叉脚(6)、第一石英晶振(3)的第二叉脚(7)、第二石英晶振(4)的第一叉脚(8)和第二石英晶振(4)的第二叉脚(9)沿同一方向延伸；第一石英晶振(3)的第二叉脚(7)配置于绝缘承载层(2)上，第二石英晶振(4)的基座部配置于第一石英晶振(3)的第一叉脚(6)上，探针(5)配置于第二石英晶振(4)的第一叉脚(8)上；第一石英晶振(3)和第二石英晶振(4)两者的谐振频率不同，且第一石英晶振(3)的两接线端分别对应电连接于第二石英晶振(4)的两接线端；

所述底座(1)为长方体，且其上侧开设有凹槽(1A)，所述凹槽(1A)自底座(1)的一侧部向与该一侧部相对的另一侧部延伸，且所述凹槽(1A)的延伸方向与第一石英晶振(3)和第二石英晶振(4)两者各叉脚的延伸方向相同；所述绝缘承载层(2)位于所述凹槽(1A)上侧，且所述第一石英晶振(3)、第二石英晶振(4)不处于所述凹槽(1A)的正上方。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述凹槽(1A)为截面为V型状的凹槽。

3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述凹槽(1A)的深度为2mm至4mm，所述凹槽(1A)上侧的宽度为1mm至3mm。

4.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述第一石英晶振(3)为无源石英晶振，且其谐振频率为20kHz至100kHz；所述第二石英晶振(4)为无源石英晶振，且其谐振频率为100kHz至200kHz。

5.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述第二石英晶振(4)通过玻璃浆料(10)焊接于所述第一石英晶振(3)的第一叉脚(6)上。

6.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述探针(5)为钨探针、铂铱合金探针、碳纤维探针或金探针。

7.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述探针(5)为碳纤维探针，所述碳纤维探针的直径为5um至10um，所述碳纤维探针针尖的曲率半径为5nm至100nm。

8.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述第二石英晶振(4)的第一叉脚(8)的上端面(8A)与第一石英晶振(3)的第一叉脚(6)的上端面(6C)平齐。

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