CN111458537A - 三维正交扫描式原子力显微镜测头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维正交扫描式原子力显微镜测头,包括：激光器、第一反射镜组、光电探测器、XY串联式二维平板扫描器、棱镜、非球面透镜、分束器和第一一维扫描器，XY串联式二维平板扫描器包括X轴运动部和Y轴运动部，棱镜固装在Y轴运动部的下端并位于X轴运动部的运动轨迹的延长线上，分束器位于X轴运动部的下方并与X轴运动部固装，在棱镜和分束器之前的X轴运动部的下端安装有一非球面透镜，在分束器的下方固装第一一维扫描器，在第一一维扫描器的底端固装有一探针夹持器，探针夹持器下安装有一悬臂梁探针。XY串联式二维平板扫描器中的运动方向以及第一一维扫描器的运动方向为串联连接，其运动方向严格正交无相互耦合。

Description

三维正交扫描式原子力显微镜测头

技术领域

本发明属于原子力显微镜测头技术领域，具体来说涉及一种三维正交扫描式原子力显微镜测头。

背景技术

原子力显微镜可以在大气、液相、真空等多种环境下对包括生物样品在内的各类材料进行高分辨形貌表征、特性测试以及加工操控，在材料、化学、生物医药、微电子等诸多领域均有着广泛的应用。

原子力显微镜通常采用微悬臂梁探针检测样品，当探针相对样品做扫描运动时，针尖与样品间的相互作用力使微悬臂梁发生弯曲，而弯曲量随表面的变化即可反映样品的形貌起伏。大多数原子力显微镜采用光杠杆方法检测悬臂梁的弯曲形变。在该方法中，激光器发出一束激光聚焦于探针悬臂梁背面，该光束经悬臂梁反射后进入光电探测器，通过检测光电探测器上的光斑位移可知悬臂梁的形变大小。根据扫描运动对象的不同，原子力显微镜的结构可分为样品扫描、测头扫描以及样品-测头组合扫描三种典型形式。因扫描器驱动能力的限制，对于尺寸和质量较大的样品必须采用测头扫描方式，即成像时样品固定不动，测头带动探针做XYZ三个方向的扫描运动。

具有三维扫描功能的原子力测头的关键设计难点之一在于必须保证光杠杆激光束与探针同步运动，即激光相对于悬臂梁的入射角及焦斑位置应始终保持不变。一种典型的实现方式是在探针正上方安装跟踪透镜，跟踪透镜与探针由同一个管式扫描器驱动，若探针与透镜的距离满足特定要求，则可在一定扫描范围内实现激光焦点与探针的随动。由于管式扫描器的运动轨迹为曲面，XY方向的运动会耦合到Z向，因此采用这种设计的仪器通常无法用于计量性检测，而且在扫描范围较大时，激光焦点会偏离探针引起测量误差。另一种实现方式是采用XY并联型平板扫描器驱动物镜和Z扫描器一起运动，探针安装在Z扫描器底部且位于物镜焦点，在XY向扫描时，物镜焦点始终在探针上的同一位置。除用于会聚激光外，该物镜还可同时用于对样品和探针的光学显微观察。采用这种设计方式的原子力测头优点在于三维运动严格正交无相互耦合，且在XY全行程内均可保证激光与探针随动。但其缺点在于XY扫描器须承载物镜及其调整装置等质量较大的元件，导致固有频率下降，不利于扫描速度的提高。此外，这种测头的Z向扫描器行程不能太大，否则会导致探针离焦，引起光斑泄漏。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种三维正交扫描式原子力显微镜测头，该三维正交扫描式原子力显微镜测头在任意XYZ行程内皆能保证光杠杆激光精确跟踪探针运动，且固有频率较高，动态特性较好。

本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的。

一种三维正交扫描式原子力显微镜测头，包括：激光收发模块和三维扫描模块，所述激光收发模块包括：用于产生测量光束的激光器、第一反射镜组和光电探测器；

所述三维扫描模块包括：XY串联式二维平板扫描器、棱镜、非球面透镜、分束器和第一一维扫描器，所述XY串联式二维平板扫描器包括X轴运动部和Y轴运动部，所述棱镜固装在所述Y轴运动部的下端并位于所述X轴运动部的运动轨迹的延长线上，所述第一反射镜组用于将所述测量光束反射形成入射光后入射至所述棱镜，所述棱镜将所述入射光转向90°后沿X轴方向射出形成第一出射光；

所述分束器位于所述X轴运动部的下方并与所述X轴运动部固装，在所述棱镜和所述分束器之前的X轴运动部的下端安装有一非球面透镜，以使所述第一出射光经过所述非球面透镜会聚后射向所述分束器并形成第一透射光和第一反射光；在所述分束器的下方固装所述第一一维扫描器，在所述第一一维扫描器的底端固装有一探针夹持器，所述探针夹持器下安装有一悬臂梁探针，所述第一一维扫描器形成有第二通光孔，所述第一反射光穿过所述第二通光孔后聚焦在所述悬臂梁探针上并被该悬臂梁探针反射形成第二反射光；

所述第二反射光射向所述分束器并形成第二透射光和第三反射光，所述第三反射光透过所述非球面透镜后形成平行光，所述平行光沿X轴方向入射至所述棱镜，所述棱镜将所述平行光转向射出后形成第二出射光，所述第二出射光用于射向所述光电探测器，所述光电探测器用于检测光斑的位置。

在上述技术方案中，还包括：固装在所述X轴运动部的下端的第二一维扫描器，所述第二一维扫描器用于固装所述非球面透镜，所述第二一维扫描器的运动轴平行于X轴方向。

在上述技术方案中，还包括：用于将所述分束器与X轴运动部固装的连接件。

在上述技术方案中，所述第一一维扫描器与所述连接件固装，以使所述分束器与所述第一一维扫描器固装。

在上述技术方案中，所述非球面透镜的主光轴平行于X轴方向。

在上述技术方案中，所述分束器的分束面与X轴方向和Z轴方向的夹角均为45°。

在上述技术方案中，所述悬臂梁探针悬臂梁与水平面成7～12°，所述悬臂梁探针的针尖位于三维扫描模块最低点。

在上述技术方案中，位于所述分束器上方的X轴运动部上形成有第一通光孔，在所述第一通光孔的上方设置有一光学显微镜。

在上述技术方案中，所述第二出射光经过第二反射镜组射向所述光电探测器。

在上述技术方案中，所述第一反射镜组包括至少一个反射镜。

本发明的有益效果如下：

1.XY串联式二维平板扫描器中的运动方向(X轴方向和Y轴方向)以及第一一维扫描器10的运动方向(Z轴方向)为串联连接，其运动方向严格正交无相互耦合。

2.对于任意扫描范围，激光焦斑和悬臂梁探针的相对位置皆保持不变，X轴方向、Y轴方向和Z轴方向的扫描运动不会引起光杠杆检测误差。

3.利用第二一维扫描器实现了非球面透镜和第一一维扫描器的同步运动，避免了第一一维扫描器大行程扫描时的悬臂梁探针离焦现象。

4.可以与独立的正置光学显微镜配合使用，使对样品和悬臂梁探针的观察更为方便。

5.三维正交扫描式原子力显微镜测头的负载较小，固有频率较高，有利于实现高速扫描。

6.激光收发模块与三维扫描模块相互分离，便于安装维护和调整升级，同时还消除了激光器和光电探测器驱动电路等热源引起的扫描器漂移。

附图说明

图1为本发明的三维正交扫描式原子力显微镜测头的正视图；

图2为本发明的三维正交扫描式原子力显微镜测头的右视图；

图3为本发明的XY串联式二维平板扫描器的俯视图。

其中，Ⅰ为激光收发模块，Ⅱ为三维扫描模块，1为激光器，2为第一反射镜，3为第二反射镜，4为光电探测器，5为XY串联式二维平板扫描器，5-1为X轴运动部，5-2为Y轴运动部，5-3为第一通光孔，6为棱镜，7为第二一维扫描器，8为非球面透镜，9为分束器，10为第一一维扫描器，11为探针夹持器，12为悬臂梁探针，13为连接件，14为光学显微镜，15为样品。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明三维正交扫描式原子力显微镜测头的技术方案。

实施例1

如图1～2所示，包括：激光收发模块Ⅰ和三维扫描模块Ⅱ，激光收发模块I产生测量光束射向三维扫描模块Ⅱ，同时接收由三维扫描模块Ⅱ返回的光束。激光收发模块Ⅰ包括：用于产生测量光束的激光器1、第一反射镜组和光电探测器4；三维扫描模块Ⅱ包括：XY串联式二维平板扫描器5、棱镜6、非球面透镜8、分束器9和第一一维扫描器10。

XY串联式二维平板扫描器5包括X轴运动部5-1和Y轴运动部5-2，XY串联式二维平板扫描器5的X轴运动部沿X轴方向运动时，Y轴运动部不随X轴运动部的运动而移动；XY串联式二维平板扫描器5的Y轴运动部沿Y轴方向运动时，X轴运动部随着Y轴运动部的运动沿Y轴方向运动。

棱镜6固装在Y轴运动部5-2的下端并位于X轴运动部5-1的运动轨迹的延长线上，第一反射镜组用于将激光器1产生的测量光束反射形成入射光后入射至棱镜6，棱镜6用于实现平行于X轴运动部的光束和平行于Y轴运动部的光束之间的相互转换，棱镜6将入射光转向90°后沿X轴方向射出形成第一出射光；XY串联式二维平板扫描器5的Y轴运动部沿Y轴方向运动时，棱镜6和X轴运动部一起沿Y轴方向做直线运动，棱镜6和X轴运动部上的所有元件保持相对位置不变。XY串联式二维平板扫描器5的X轴运动部沿X轴方向运动时，X轴运动部上的所有元件沿X轴方向做往复直线运动，相对位置保持不变。

分束器9位于X轴运动部5-1的下方并与X轴运动部5-1固装，在棱镜6和分束器9之前的X轴运动部5-1的下端安装有一非球面透镜8，非球面透镜8的主光轴平行于X轴方向。棱镜6的入射面和出射面分别正对激光收发模块I的激光出光口和非球面透镜8，非球面透镜8一面正对棱镜6，一面正对分束器9，以使第一出射光经过非球面透镜8会聚后射向分束器9并形成第一透射光和第一反射光(即经过分束器9后一部分沿原方向透射形成第一透射光，另一部分反射至平行于Z轴方向即向下出射形成第一反射光)；在分束器9的下方固装第一一维扫描器10，在第一一维扫描器10的底端固装有一探针夹持器11，探针夹持器11下安装有一悬臂梁探针12，第一一维扫描器10形成有第二通光孔，第一反射光穿过第二通光孔后聚焦在悬臂梁探针12上并被该悬臂梁探针12反射形成第二反射光；

第二反射光射向分束器9并形成第二透射光和第三反射光，第三反射光透过非球面透镜8后形成平行光，平行光沿X轴方向入射至棱镜6，棱镜6将平行光转向射出后形成第二出射光，第二出射光用于射向光电探测器4，光电探测器4用于检测光斑的位置。

三维正交扫描式原子力显微镜测头的检测光路的工作原理如下：激光收发模块I的激光器1产生准直光束(测量光束)经第一反射镜组反射后平行于Y轴方向射向三维扫描模块Ⅱ中的棱镜6；棱镜6将入射光转向90°至平行于X轴方向射向非球面透镜8，入射光与非球面透镜8的主光轴重合；非球面透镜8将入射光会聚并沿X轴方向射向分束器9并形成第一透射光和第一反射光；第一反射光沿Z轴方向垂直向下聚焦在悬臂梁探针12上并被该悬臂梁探针12反射形成第二反射光；第二反射光返回分束器9后形成第二透射光和第三反射光，第三反射光透过非球面透镜8后形成平行光，平行光沿X轴方向入射至棱镜6，棱镜6将平行光转向射出后形成第二出射光，第二出射光用于射向光电探测器4，光电探测器4用于检测光斑的位置。当悬臂梁探针12在样品表面力的作用下发生弯曲形变时，第二反射光的角度会发生变化，最终反映为光电探测器上光斑的位置变化。通过检测光电探测器上光斑的变化即可知悬臂梁探针12的形变，进而可知样品15表面信息。

实施例2

在实施例1的基础上，还包括：固装在X轴运动部5-1的下端的第二一维扫描器7，第二一维扫描器7用于固装非球面透镜8，第二一维扫描器7的运动轴平行于X轴方向。第二一维扫描器7和第一一维扫描器10同步运动，因此无论第一一维扫描器10的运动范围有多大，非球面透镜8与悬臂梁探针12的相对位置近似为恒定值，即悬臂梁探针12始终位于非球面透镜8经分束器9之后的等效焦点处。对于任意范围的三维扫描，该三维正交扫描式原子力显微镜测头均能保证测量光束对悬臂梁探针的准确跟踪，运动理论上不会导致光杠杆的检测误差。

分束器9的分束面与X轴方向和Z轴方向的夹角均为45°。

还包括：用于将分束器9与X轴运动部5-1固装的连接件13。将分束器9嵌装在连接件13内，连接件13设置有通孔(图中未示出)，用于通过经过分束器的光路。

第一一维扫描器10与连接件13固装，以使分束器9与第一一维扫描器10固装。第一一维扫描器10与连接件13之间非完全约束。第一一维扫描器10在连接件13底部移动到位后，悬臂梁探针12应位于非球面透镜8经分束器9反射之后的等效焦点处。第一一维扫描器10进行Z轴方向扫描时，探针夹持器11和悬臂梁探针12一起沿Z轴方向直线运动；与此同时，第二一维扫描器7驱动非球面透镜8沿X轴方向做同步直线运动，第二一维扫描器7的位移量和第一一维扫描器10的位移量中的低频分量相同，即非球面透镜8与悬臂梁探针12的相对位置近似恒定。

悬臂梁探针12的悬臂梁与水平面成7～12°，悬臂梁探针12的针尖位于三维扫描模块Ⅱ的最低点。

位于分束器9上方的X轴运动部5-1上形成有第一通光孔5-3，在第一通光孔的上方设置有一光学显微镜14。光学显微镜14可透过第一通光孔和分束器9对悬臂梁探针12和下方的样品15进行直接观察。

实施例3

在实施例2的基础上，第一反射镜组包括至少一个反射镜，第二出射光经过第二反射镜组射向光电探测器4，第二反射镜组包括至少一个反射镜。第一反射镜组和第二反射镜中反射镜的数量可以根据需要采用其他形式，如调整反射镜数量。

作为优选，第一反射镜组中反射镜的数量为一个，即第二反射镜。第二反射镜组中反射镜的数量为两个，即第一反射镜2和第二反射镜3，第一反射镜组和第二反射镜组中的第二反射镜相同，即第一反射镜组和第二反射镜组共用同一个第二反射镜。

第一反射镜2和第二反射镜3与水平面成45°倾角。第二出射光射向光电探测器4的过程为：第二出射光返回激光收发模块I中的第二反射镜3，激光收发模块I中的第二反射镜3将光束反射至第一反射镜2，第一反射镜2将光束反射至光电探测器4上。

第一反射镜组将激光器1产生的测量光束反射形成入射光的过程为：激光器1发射的测量光束与第二反射镜3的夹角为45°，测量光束被第二反射镜3反射后形成入射光。

由于XY串联式二维平板扫描器5的X轴运动部和Y轴运动部为串联连接，测量光束依次经过X轴运动部和Y轴运动部时，其行进方向与三维正交扫描式原子力显微镜测头的运动方向平行，且激光束在相关区间传播时为平行光束，因此无论三维正交扫描式原子力显微镜测头在X轴方向和Y轴方向的运动范围有多大，都不会改变测量光束传播角度以及非球面透镜8与悬臂梁探针12的相对位置。

XY串联式二维平板扫描器5的X轴运动部的负载包括第二一维扫描器7、非球面透镜8、分束器9和连接件13，X轴运动部的负载较轻，动态特性较好，作为水平二维扫描中的快轴；XY串联式二维平板扫描器5的Y轴运动部的负载包括棱镜6和X轴运动部，Y轴运动部的负载最大，作为水平二维扫描中的慢轴。在本发明的三维正交扫描式原子力显微镜测头中，第一一维扫描器10的负载为探针夹持器11和悬臂梁探针12，第一一维扫描器10的负载最轻，动态特性最好，用于形貌反馈；由于第一一维扫描器10和X轴运动部的绝对负载质量较小，可用于高速扫描成像。

实施例4

在实施例3的基础上，三维扫描模块II中的XY串联式二维平板扫描器5采用串联式二维压电纳米位移台，购买自天津三英精控公司，型号为DZNS-XY40-01，内置分辨力0.1nm的电容位移传感器，闭环扫描范围40μm×40μm，在负载质量为240g时最低谐振频率为850Hz(Y轴)。XY二维扫描器5的X运动部上第一通光孔的直径为40mm。XY二维扫描器5的结构如图3所示，XY串联式二维平板扫描器5的外形结构由2个方形框和X轴运动部组成，2个方形框依次为：中框和外框，中框为Y轴运动部，中框套在外框内且中框与外框之间安装有用于进行Y轴方向移动的第一连接杆。X轴运动部放置在Y轴运动部内，X轴运动部与Y轴运动部之间安装有用于进行Y轴方向移动的第二连接杆。

激光器1采用二极管激光器，波长635nm，功率4.5mW，出射准直光束直径2mm。通过一个五自由度精密调整架可调整激光器的光束出射方向和位置。

光电探测器4采用四象限型光电探测器，感光面尺寸为5mm×5mm。通过一个二维精密位移台可调整光电探测器的感光面相对于接收光斑的位置。

棱镜6采用边长25mm的五角棱镜，入射面和出射面分别与X轴方向和Y轴方向平行。

第二一维扫描器7采用带有通光孔的环形一维压电纳米位移台(图2中未以环形示出)，环形内安装非球面透镜8，第二一维扫描器7为Noliac公司的叠堆式压电陶瓷，型号NAC2123-H02，其最大行程为4μm，空载时的固有谐振频率大于20kHz，环形的内径为6mm。额外可以再通过一个一维精密调节装置可微调第二一维扫描器7在X轴运动部上的固定位置，以保证非球面透镜8经分束器9反射后的等效焦平面与安装后的悬臂梁探针12重合。

第一一维扫描器10与第二一维扫描器7相同，通过磁力吸附在连接件13的底面，且位于分束器9正下方。第一一维扫描器10与连接件13的底面相连之后仍可通过一定的外力使第一一维扫描器10沿连接件13的下表面做X轴方向和Y轴方向的移动而不脱离连接。

非球面透镜8的波长范围为600nm～1050nm，工作距离38.33mm，数值孔径0.5。

分束器9采用边长20mm的非偏振分束立方体，其设计波长为400nm～700nm，分光比为70:30(R:T)。

探针夹持器11通过簧片机构固定悬臂梁探针12。

悬臂梁探针12固定好之后与水平面成8°倾角。

探针夹持器11通过螺丝固定在第一一维扫描器10的底部。

光学显微镜14的工作距离为46.2mm，放大倍率为1.25x～15x。通过一个三维调整机构可使光学显微镜与第一通光孔同轴并聚焦在悬臂梁探针或样品上。

整个三维正交扫描式原子力显微镜测头可安装在一个垂直电机位移台上，通过该位移台实现三维正交扫描式原子力显微镜测头与样品的趋近或远离。样品可放置在二维水平电机位移台上，通过该二维水平电机位移台调整悬臂梁探针在样品上的检测区域。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种三维正交扫描式原子力显微镜测头，其特征在于，包括：激光收发模块(Ⅰ)和三维扫描模块(Ⅱ)，所述激光收发模块(Ⅰ)包括：用于产生测量光束的激光器(1)、第一反射镜组和光电探测器(4)；

所述三维扫描模块(Ⅱ)包括：XY串联式二维平板扫描器(5)、棱镜(6)、非球面透镜(8)、分束器(9)和第一一维扫描器(10)，所述XY串联式二维平板扫描器(5)包括X轴运动部(5-1)和Y轴运动部(5-2)，所述棱镜(6)固装在所述Y轴运动部(5-2)的下端并位于所述X轴运动部(5-1)的运动轨迹的延长线上，所述第一反射镜组用于将所述测量光束反射形成入射光后入射至所述棱镜(6)，所述棱镜(6)将所述入射光转向90°后沿X轴方向射出形成第一出射光；

所述分束器(9)位于所述X轴运动部(5-1)的下方并与所述X轴运动部(5-1)固装，在所述棱镜(6)和所述分束器(9)之前的X轴运动部(5-1)的下端安装有一非球面透镜(8)，以使所述第一出射光经过所述非球面透镜(8)会聚后射向所述分束器(9)并形成第一透射光和第一反射光；在所述分束器(9)的下方固装所述第一一维扫描器(10)，在所述第一一维扫描器(10)的底端固装有一探针夹持器(11)，所述探针夹持器(11)下安装有一悬臂梁探针(12)，所述第一一维扫描器(10)形成有第二通光孔，所述第一反射光穿过所述第二通光孔后聚焦在所述悬臂梁探针(12)上并被该悬臂梁探针(12)反射形成第二反射光；

所述第二反射光射向所述分束器(9)并形成第二透射光和第三反射光，所述第三反射光透过所述非球面透镜(8)后形成平行光，所述平行光沿X轴方向入射至所述棱镜(6)，所述棱镜(6)将所述平行光转向射出后形成第二出射光，所述第二出射光用于射向所述光电探测器(4)，所述光电探测器(4)用于检测光斑的位置。

2.根据权利要求1所述的三维正交扫描式原子力显微镜测头，其特征在于，还包括：固装在所述X轴运动部(5-1)的下端的第二一维扫描器(7)，所述第二一维扫描器(7)用于固装所述非球面透镜(8)，所述第二一维扫描器(7)的运动轴平行于X轴方向。

3.根据权利要求2所述的三维正交扫描式原子力显微镜测头，其特征在于，还包括：用于将所述分束器(9)与X轴运动部(5-1)固装的连接件(13)。

4.根据权利要求3所述的三维正交扫描式原子力显微镜测头，其特征在于，所述第一一维扫描器(10)与所述连接件(13)固装，以使所述分束器(9)与所述第一一维扫描器(10)固装。

5.根据权利要求4所述的三维正交扫描式原子力显微镜测头，其特征在于，所述非球面透镜(8)的主光轴平行于X轴方向。

6.根据权利要求5所述的三维正交扫描式原子力显微镜测头，其特征在于，所述分束器(9)的分束面与X轴方向和Z轴方向的夹角均为45°。

7.根据权利要求6所述的三维正交扫描式原子力显微镜测头，其特征在于，所述悬臂梁探针(12)的悬臂梁与水平面成7～12°，所述悬臂梁探针(12)的针尖位于三维扫描模块(Ⅱ)的最低点。

8.根据权利要求7所述的三维正交扫描式原子力显微镜测头，其特征在于，位于所述分束器(9)上方的X轴运动部(5-1)上形成有第一通光孔(5-3)，在所述第一通光孔(5-3)的上方设置有一光学显微镜(14)。

9.根据权利要求8所述的三维正交扫描式原子力显微镜测头，其特征在于，所述第二出射光经过第二反射镜组射向所述光电探测器(4)。

10.根据权利要求9所述的三维正交扫描式原子力显微镜测头，其特征在于，所述第一反射镜组包括至少一个反射镜。

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