CN108761138B - 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配置，第二石英晶振的第一叉脚和第二石英晶振的第二叉脚左右相对配置；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两个维度原位激发/检测功能。

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，它能获取材料表面的信息。具体而言，在扫描探针工作时，微悬臂针尖沿垂直方向(计为Z方向)自上而下靠近样品表面，并在靠近样品表面后，沿垂直方向或沿水平方向(计为X方向)相对样品表面活动以对样品表面进行扫描，进而测量样品表面的表面形貌、表面粗糙度、或摩擦力、剪切模量等信息。受限于微悬臂的结构特性，微悬臂传感器的品质因数低，且微悬臂的探针在相对样品表面垂直或水平活动时仅能在一个维度振动(即沿Z方向或往复振动或沿X方向往复振动)，其导致微悬臂传感器在检测表面结构较复杂的样品时，如内凹陷表面、高台表面的侧壁等，难以准确和全面地获取该些样品表面的信息，进而造成检测结构信息缺失以及失准。有鉴于此，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传感器在对样品进行扫描时仅能在一个维度振动的问题。

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配置，第二石英晶振的第一叉脚和第二石英晶振的第二叉脚左右相对配置；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范围不同，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，所述凹槽宽度为1mm至3mm。

较佳地，所述第一石英晶振、第二石英晶振不处于凹槽的正上方。

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，第二石英晶振的第一叉脚的上端面、第二石英晶振的第二叉脚的上端面、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，且具有两个维度原位激发/检测功能；

2、本申请采用石英晶振的传感器具有自激发、自检测功能，不需要光检测系统，且品质因数高，有助于提高扫描探针显微镜分辨率和应用范围；

3、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；

4、应用有本发明的传感器的扫描探针显微镜可以通过检测沿垂直Z方向的振动信号得到样品的表面形貌、表面粗糙度，通过检测沿水平X方向的振动信号同时得到样品表面的摩擦力、剪切模量，并通过检测探针电信号得到样品表面的电学性质信息。

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上下相对配置，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左右相对配置。第一叉脚6、第二叉脚7、第一叉脚8和第二叉脚9的延伸方向相同。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、第二石英晶振4的第二叉脚9的上端面9A、以及第一叉脚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。由于第二石英晶振3的第一叉脚6和第二叉脚7上下相对配置，第二石英晶振4的第一叉脚8和第二叉脚9左右相对配置，进而本申请的传感器具有两个维度原位激发/检测功能。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的宽度为为1mm至3mm，例如为上侧为3mm。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的长度、宽度、厚度尺寸可满足以下条件：3mm≤长≤10mm，2mm≤宽≤10mm，0.5mm≤厚≤1.5mm，例如可为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，例如为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可通过玻璃浆料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，第二石英晶振4的第一叉脚8的上端面8A、第二石英晶振4的第二叉脚9的上端面9A、第一石英晶振3的第一叉脚6的上端面6C平齐。

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沿垂直Z方向的振动信号得到样品的表面形貌、表面粗糙度，通过检测沿水平X方向的振动信号同时得到样品表面的摩擦力、剪切模量，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两个维度原位激发/检测功能。

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)上下相对配置，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)左右相对配置；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；所述凹槽(1A)为截面为V型状的凹槽。

2.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)宽度为1mm至3mm。

3.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)、第二石英晶振(4)不处于凹槽(1A)的正上方。

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，第二石英晶振(4)的第一叉脚(8)的上端面(8A)、第二石英晶振(4)的第二叉脚(9)的上端面(8B)、第一石英晶振(3)的第一叉脚(6)的上端面(6C)平齐。

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