CN1140767C - 探测显微镜的探测扫描装置 - Google Patents

Abstract

簧片41连接到接受由第一个平衡线圈电动机产生的Z轴方向的力的测量杆8的样品侧的端部，探测头45固定在簧片41的末端。测量杆8由内管13借助于簧片11支撑着。测量杆8的移动量被簧片41放大并传到探测头45上，从而使探测头45的位移量得到放大。因此，包括第一个平衡线圈电动机可动部分、测量杆8、簧片11、簧片41、及探测头45在内的系统的共振频率f0得到提高。

Description

探测显微镜的探测扫描装置

技术领域

本发明涉及探测显微镜的探测扫描装置，更具体地说，涉及能使探测扫描设备产生更高的共振频率的探测显微镜的探测扫描装置。

背景技术

利用压电扫描器的装置可作为基于传统技术的扫描型探测显微镜的探测扫描装置的示例。在这种压电扫描器中，外加到压电元件电极上的电压与其位移率成非线性关系(电压-位移特性)，因此其位移率不大。由于要外加数百伏至上千伏电压到电极上，所以，当装置的罩面打开时，电极的周围需要屏蔽层或需要保护电路来降低其电压，所以操作此压电元件也是件困难的事情。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种探测显微镜的探测扫描装置，它能解决上述传统式装置所遇到的问题，并且能使探测扫描装置的共振频率f0更高。本发明的另一个目的是提供一种探测显微镜的探测扫描装置，在该装置中，能利用探测头进行高速扫描。

要达到上述所描写的目的，按照本发明的用于通过接近或接触样品的表示来测量样品表面的外形或物理性能的探测显微镜的探测扫描装置包括：由弹性构件支撑的测量杆，该杆至少能在与样品表品垂直的Z轴方向被驱动；以及探测构件，它借助于位移放大机构支撑在测量杆的样品表面一侧的端部，所述位移放大机构根据测量杆的移动放大位移量。

利用本发明，探测头构件是由位移放大构件来支撑的，使得所述探测扫描装置的共振频率可以做得较高。

针对以上难点，本发明的申请人开发了一种样品定位装置，在该装置中，作为Z轴方向粗调机件的脉冲电动机及螺丝之类的东西被内附有粘滞体的外套、加热器构件和平衡线圈构件代替；作为Z轴方向微调单元的压电单元也用簧片元件取代。

使用本样品定位装置，所有有关传统型压电扫描器的问题都迎刃而解了。但是，只是在该装置中装备了Z轴方向的粗调构件及装在一起的Z轴向的微调机构，却没有把X和Y轴方向的扫描构件组装在一起。仅仅曾经使用过基于传统技术的样品定位装置，而没有考虑在带探测头的扫描中使用它的可能性。

申请人开发了如图9所示的探测扫描装置。如图所示，该探测扫描装置具有：第一平衡线圈电动机，其上有带轴体3的磁体2；可动元件4，其上绕有线圈6；膜片5，这些都安装在框架1内的上部。固定在可动元件4上的是测量杆8，该杆在Z轴方向延伸；置于测量杆8下边缘部分的是位移检测器9，此外，悬臂和探测头(芯片)10固定在位移检测器9上。

另一方面，框架1有伸到样品室的薄管部分14和与其连通的厚管部分15，厚管部分15内的粘滞体17支撑着内管13。第一、第二块簧片11、12由所述内管夹持，这两块簧片弹性地支撑着测量杆8。当在Z轴方向粗调探测头10时，加热线圈16被激励，从而使粘滞体17变软。

固定在框架1一侧内部的是第二平衡线圈电动机，其上有带轴体22的磁体21；可动元件23，其上绕有线圈25；膜片24；固定在可动元件23上的是测量杆27，该杆在X轴方向延伸，其自由端通过细线26固定在厚管15的部分15a上。第三平衡线圈电动机也固定在框架1一侧的内部，虽然图上没有显示出来，它在与第二平衡线圈电动机成90度角的不同方向上，其可动元件和厚管部分15通过测量杆及细线互相连接，测量杆和细线在此图中也没有显示出来。通过驱动第二和第三平衡线圈电动机，探测头10就可在X轴方向和Y轴方向执行扫描操作。

设置在正对着探测头10的位置的是要检测的样品32，该样品置于样品座31上。样品座31置于载物台33上，以便在X、Y、Z轴三个方向进行粗调。

在具有以上结构的探测扫描装置中，包括第一平衡线圈电动机、测量杆8、位移检测器9和探测头10等在内的Z方向的微调机构不可能做到具有更高的共振频率f0。众所周知，在探测显微镜的探测扫描装置中，在Z轴方向的用来观察样品的扫描频率只能在Z轴方向的微调机构共振频率f0的1/5与1/10之间，或者更小的范围内。由此看来，因为Z轴方向的微调机件共振频率f0不能提高，所以在图9所示的探测扫描装置中不可能通过探测头的快速扫描来观察样品。

附图说明

图1是本发明的第一个实施例的结构图。

图2是图1关键部位的放大图。

图3是显示按照第一个实施例的探测扫描装置的系统的等同物的视图。

图是显示探测扫描装置的结构的一个例子的图。

图5A-5C是各自显示图4系统的等同物的视图。

图6是显示本发明的第二个实施例的关键部位的结构的视图。

图7是显示本发明的第二个实施例的关键部位的结构的视图。

图8是显示在X和Y轴方向被驱动的探测扫描国装置的系统的等同物的视图。

图9是显示本发明申请人开发的探测显微镜的探测扫描装置的结构的视图。

具体实施方式

下面参照有关图形对本发明进行详细描述。首先描述当探测头10在Z方向被驱动，也就是在如图9所示的探测扫描装置里的样品表面的垂直方向被驱动时所产生的共振频率f0，可参照图4及图5A-5C。

图4是显示设置在图9所示的探测扫描装置中的测量杆8的下端部的探测头45的固定结构的例子的视图。在该例子中，如图所示，探测头45直接固定在测量杆8的下端部。应当指出，虽然图中未显示，但是，在探测显微镜是内原子显微镜的情况下，探测头固定在悬臂上。

图5A-5B是显示图4所示系统的等同物的视图。弹性常数K是这样规定的，使得第一和第二簧片11、12的总弹性常数K是在第一平衡线圈电动机所产生的最大牵引力F^*作用下移动规定的长度为d的弹性系数。假设m代表第一个平衡电动机的可动部件和测量杆8质量总和，M代表探测头45与簧片11、12的等效质量的总和，那么，该系统的运方程为：

      F＝(m+M)d²z/d²t+Kz

      系统共振频率f01为：[表达式1] $f01=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{K}{m+M}}$

将K＝F^*/d          代入上式得：[表达式2] $f01=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{F^{*}/d}{m+M}}...\left(1\right)$

下面参照图1描述本发明的第一个实施例。图1是本发明的第一个实施例的结构图。图中标号41代表悬臂式簧片，标号45代表探测头，其它标号代表图8中的各部分或等同物相应的部分。探测头45有时固定在悬臂上，但这种情况在该图中没有显示出来。

图2是该实施例的关键部位的放大图。图上相同的标号代表与图1中的相对应的部分。假设P点是测量杆8簧片与41的连接点，S代表悬臂式簧片41的放大率，则S＝b/a。即，测量头在Z方向所作的位移是P点在Z方向所作的位移的S倍。在此，b为簧片41的长度，是个常数。

下面来考虑本实施例探测扫描装置在Z轴方向的微调机件的共振频率f02。

在该实例中，当第一个平衡线圈电动机把力F加到P点时，探测头45根据力F的方向在Z的正方向或者负方向移动。因此，当这样规定弹性常数K₀(单位角度的转矩)、使得探测头45在第一平衡电动机所产生的最大力F^*的作用下仅仅移动规定的长度d时，簧片在d/b弧度范围内振动，即有：

a×F^*＝K₀×d/b

     因此，簧片41的弹性常数K₀为：

     K₀＝abF^*/d                   (2)

则运动方程为：

     aF＝(I+a²m)d²θ/dt²+K_oθ  ...(3)

其中，I代表包括探测头以及把探测头固定在其上的构件在内的簧片41所产生的转动惯量，θ代表簧片41所摆动的角度，m代表测量杆8和平衡线圈电动机的活动部分4、6的质量和。图2所示系统的共振频率f02可由下列公式求得：

[表达式3] $f02=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{K_o}{I+a^{2}m}}$ $=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{F^{*}/d}{I/\mathrm{ab}+m\·a/b}}$ $=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{F^{*}/d}{s\·I/b^2+m\·1/s}}...\left(4\right)$

从公式可知，假设使用同一平衡线圈电动机，同样的质量m，同样的转动惯量I，显然，当S为{m/(I/b²)}^1/2时，f02取最大值f02^*

[表达式4] $f02^{*}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{F^{*}/d}{2\sqrt{m\·I/b^2}}}$ 在此，假设M′＝(I/b)²并代入其中，则有：[表达式5]： $f02^{*}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{F^{*}/d}{2\sqrt{m\·M^{\′}}}}...\left(5\right)$

由于M′小于或等于(1)式中的M，且m通常远远大于M和M′，所以，f02^*大于(1)式中的f01。

实际上m大约为5g，M′大约为50mg，因此，假设m＝5g，M′＝M＝50mg，则(m/M′)^1/2的值为10。在产品中，可以设S＝10，则由(4)式可得，图2所示系统的共振频率f02为[表达式6]： $f02=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{F^{*}/d}{5/10+10\×0.05}}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{F^{*}}{d}}$

由此式所得值与由(5)式(设m＝5g，M′＝M＝50mg)所得的值f02相同。为比较，用由(1)式计算图4所示系统的共振频率，可得下列表达式。图2与图4的结构不同，m和M的值也有些不同，但是，可以肯定地说，它们的数值几乎是相同的。所以，图4系统中的共振频率f01由(1)式可得：[表达式7] $f01=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{F^{*}/d}{5.05}}$

于是有：f02/f01＝(5.05)^1/2，即：共振频率f02大约为f01的2.2倍。由此可知，即使使用相同的平衡线圈电动机，获得相同位移d，在利用杠杆放大作用的结构的情况下，系统的共振频率会提高。

下面参照图3介绍本发明的第二个实施例。假设，如图中所示，P代表测量杆8与第一簧片41的连接点，S1代表第一悬臂式簧片41的放大率，则有：s1＝b1/a1。即：细线42在Z轴方向的位移是P点在同一方向的位移S1倍。同样，假定S2为第二悬臂式簧片43的放大率，则s2＝b2/a2。也就是说：探测头在Z轴向的位移是细线42在同一方向的位移的S2倍。这时，总的位移放大率S＝S1×S2。当细线42的位置变化时，即通过增长或缩短b1，来缩短或增长a2，就可适当地确定放大率S。与图2中所示的实施例相比，使用上述结构，用比较紧凑的结构可获得范围较大的放大率S。另外，测量杆8，探测头45和内管13可以做成同心结构。显而易见，在此实施例中，假设上述a1和b2是常数，b1加a2是常数。

接下来介绍按本实施例所做的探测扫描装置的Z轴方向微调机件的共振频率f03。在本实施例中，当第一平衡线圈电动机产生力F作用于P点时，探测头45根据力F的方向在Z轴的正或负方向移动。因此，当这样设定簧片41的弹性常数为K1(单位角度转矩)，簧片43的弹性常数为K2，使得探测头45在第一平衡线圈电动机的最大力F^*作用下只能移动规定的距离d时，簧片41摆动d/b1弧度，则有：

    [表达式8] $a_1{F}^{*}=K_2\·\frac{d}{b_2}\·\frac{b_1}{a_2}+K_1\frac{d}{b_1}\·\frac{a_2}{b_2}$ 此式可改变为：

    [表达式9] $K_2+K_1{\left(\frac{a_2}{b_1}\right)}^2=\frac{a_2\·b\·a_1}{b_1}\·\frac{F^{*}}{d}...\left(6\right)$ 也可得运动方程为：a1F＝(I1+a1²m)d²θ1/dt²+K1θ1

      +(I2×d²θ2/dt²+K2θ2)b1/a2

这里的I1代表包括细线42及簧片41的转动惯量，I2代表包括探测头和用来把探测头固定在其上的机构的转动惯量；θ₁代表簧片41所偏转的的角度，θ₂代表簧片43所偏转的的角度，m代表测量杆8和平衡线圈电动机可动部分4和6的总质量。角度θ₁与θ₂的关系为b1×θ₁＝a2×θ₂，依此有运动方程：

[表达式10] $a_{1}F=\{(I_1+{a_1}^{2}m)\frac{a_2}{b_1}+I_2\frac{b_1}{a_2}\}\frac{d^2{\mathrm{\θ}}_2}{d{t}^2}+\frac{b_1}{a_2}\{K_2+K_1{\left(\frac{a_2}{b_1}\right)}^2\}{\mathrm{\θ}}_2$ 把(6)式代入该式中，可得：

[表达式11] $a_{1}F=\{(I_1+{a_1}^{2}m)\frac{a_2}{b_1}+I_2\frac{b_1}{a_2}\}\frac{d^2{\mathrm{\θ}}_2}{d{t}^2}+a_1{b}_1\frac{F^{*}}{d}{\mathrm{\θ}}_2...\left(7\right)$

所以，系统的共振频率f03为

[表达式12] $f03=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{a_1{b}_2{F}^{*}/d}{(I_1+{a_1}^{2}m)\frac{a_2}{b_1}+I_2\frac{b_1}{a_2}}}$ $=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{F^{*}/d}{\frac{1}{s}(\frac{I_1}{{a_1}^2}+m)+s\frac{I_2}{{b_2}^2}}}...\left(8\right)$ 在此式中，假设使用同一平衡线圈电动机，相同的物体质量m和相同的转动惯量I1、I2，那么，当S为下列表达式时，系统的共振频率f03就为最大值f03^*：

[表达式13] $s=\sqrt{(\frac{I_1}{{a_2}^2}+m)/\left(\frac{I_2}{{b_2}^2}\right)}$ $f03^{*}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{F^{*}/d}{2\sqrt{(\frac{I_1}{{a_1}^2}+m)\·\frac{I_2}{{b_2}^2}}}}$ 在此假设M1′＝I1/a1²，M2′＝I2/b2²，上式可变为：

[表达式14] $f03^{*}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{F^{*}/d}{2\sqrt{({M_1}^{\′}+m){M_2}^{\′}}}}...\left(9\right)$

当M1′与M2′小于或等于(1)式中的M时，m远远大于M1′、M2′及M，f03^*就大于(1)式中的f01，这一点与第一实施例的一样。根据以上介绍，带有利用杠杆放大作用的结构，使用同一平衡线圈电动机，获得相同位移d时，系统的共振频率要高些。

参照图6，介绍本发明的第三个实施例。在此实施例中，靠近簧片41、簧片43与内管13的连接处，分别有凹面41a和43a，这样，杠杆放大作用能产生更大的影响。图6与图2的相同标号所代表相同或对应的部位。象其它实施例一样，该实施例也可产生更高的系统共振频率。

下面参照图7，介绍本发明的第四实施例。在此实施例中，采用了三级杠杆放大结构。图中标号46代表根细线，47代表第三簧片，其它标号与图6相同标号所对应的部位相同。本发明对使用两级还是三级杠杆放大没有限制。

上面所描写的是探测扫描装置中的测量杆8在Z轴方向运动的情况，当探测扫描装置在X或Y轴方向移动扫描时，系统共振频率也可提高。X或Y轴方向的扫描系统分别有着相同的结构，图1和图8只是介绍了X方向的扫描系统。在此，图8是图1的关键部位等效图，二图的相同标号所指的部位相同。

X轴方向的扫描系统包括：第二平衡线圈电动机，其上有带轴体22的磁体21；可动元件23，其上绕有线圈25；膜片24，测量杆27，细线26。当第二平衡线圈电动机被激励时，可动元件23产生力F通过测量杆27和细线26作用于厚管15的部分15a上。当力F作用于这里时，包括厚管15、内管13、第一簧片41、探测头45在内的系统以细管14与框架1的连接点作为支点进行摆动，其结果是：探测头45根据力F的方向在X轴的正向或负向移动。因此，当这样规定弹性常数K’(单位角度弧度)，使得测量头45在第二平衡线圈电动机产生的最大力F^*作用下移动规定的长度d′时，测量杆14以d′/b′的弧度摆动，则K’的数值由下列表达式决定：a’×F’＝K’×d’/b’

K′＝a′b′F^*/d′            ...(10)

运动方程为

[表达式15] $a^{\′}F=(I^{\′}+{a^{\′}}^2{m}^{\′})\frac{d^2{\mathrm{\θ}}^{\′}}{d{t}^2}++K^{\′}{\mathrm{\θ}}^{\′}....\left(11\right)$

这里I′代表当包括厚管15、粘滞体17、内管13、第一簧片41和第二簧片43、扫描头45等在内的筒形振动体振动时所生的转动惯量，θ’代表筒形振动体所摆动的角度，m’代表平衡线圈电动机的可动部分23和臂26、27的质量总和。图8所示系统的共振频率f’通过表达式(11)可表达为：

[表达式16] $f^{\′}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{K^{\′}}{I^{\′}+{a^{\′}}^2{m}^{\′}}}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{F^{*}/d^{\′}}{\frac{I^{\′}}{a^{\′}{b}^{\′}}+\frac{a^{\′}}{b^{\′}}{m}^{\′}}}$ $=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{F^{*}/d^{\′}}{s^{\′}\frac{I^{\′}}{{b^{\′}}^2}+\frac{1}{s^{\′}}{m}^{\′}}}...\left(12\right)$

此表达式中，S′＝b′/a’。等式(10)、(11)、(12)与(2)、(3)、(4)在形式上完全相同。所以，这种情况的处理方式与第一种情况(即探测头在垂直于样品表面的Z向移动时)的处理方式相同。因此，在这个表达式中，要使f’的值最大，可设S’为下列表达式。

s′＝m′×a′²

即，可以设下列表达式

I′＝m′×a′²

实际中，m′约为5g，当b′约为50mm时，I′可达3000至4000(g·mm²)，由此，把a′＝25mm代入式中，共振频率就可获得最大值。

总之，利用本发明，探测显微镜的探测扫描装置的共振频率比传统技术装置的共振频率要大得多，观察样品时探测扫描装置的驱动频率可大大地提高，因此，自然能进行高速扫描。

Claims (9)

1.一种探测显微镜的探测扫描装置，它通过接近或接触样品的表面来测量样品表面的形状及物理性能，其特征在于所述装置包括：

由弹性构件支撑的、至少能在垂直于所说样品表面的Z轴方向被驱动的测量杆；和

固定在所述测量杆的一端的测量构件，通过位移放大构件相对于所述测量杆在Z轴上的移动量放大所述测量构件在Z轴上的位移。

2.根据权利要求1的探测显微镜的探测扫描装置，其特征在于：测量杆通过筒形振动体在X和Y轴方向被驱动，弹性构件驱动筒形振动体在X轴和Y轴方向前后运动，X轴和Y轴处于垂直于所述测量杆的平面。

3.根据权利要求1或2的探测显微镜的探测扫描装置，其特征在于：支撑或驱动测量杆的弹性构件是平衡线圈电动机的可动部分，所述位移放大构件包括：悬臂式弹性构件。

4.根据权利要求3的探测显微镜的探测扫描装置，其特征在于：假设a代表从所述悬臂式弹性构件的固定端到接受来自所述测量杆的力的点P的长度，b代表从所述固定端到将所述测量构件固定到所述弹性构件自由端的位置的长度，b是个常数，把b/a的值设定为由表达式b/a＝{m/(I/b)}^1/2来决定的值或者与该值接近，式中的m代表平衡线圈电动机的活动部分与测量杆的质量总和，I代表所述弹性构件及所述测量构件的转动惯量。

5.根据权利要求1或2的探测显微镜的探测扫描装置，其特征在于：支撑或驱动所述测量杆的所述弹性构件是平衡线圈电动机的可动部分，以及所述位移放大构件包括以多层的形式这样互相连接、使得位移量在最后一层被放大的多个悬臂式弹性构件。

6.根据权利要求5的探测显微镜的探测扫描装置，其特征在于：所述位移放大构件的悬臂式弹性构件的端部通过一根结实的细线连接到邻近下一级弹性构件的固定端的点。

7.根据权利要求6的探测显微镜的探测扫描装置，其特征在于：假设a1(常数)代表从第一级弹性构件的固定端到接受来自测量杆的力的点P的长度，b1代表从所述固定端到所述细线的长度；a2代表从第二级弹性构件的固定端到细线的长度，以及b2代表从固定端到所述弹性构件自由端的探测构件的固定点的长度，b2是个常数，则b1/a1×b2/a2(＝s)的值由式s＝{(I1/a1²+m/(I2/b2²)}^1/2决定或与该值接近，这里的m代表所述平衡线圈电动机的可动部分和所述测量杆的质量总和，I1代表第一级弹性构件和所述细线的转动惯量，I2代表所述的第二级弹性构件和所述测量构件的转动惯量。

8.根据权利要求2的探测显微镜的探测扫描装置；其特征在于：假设a′代表从筒形振动体的固定端到接受来自弹性构件的力的点P′的长度，b′(常数)代表从固定端到将所述测量构件安装到所述自由端的位置之间的长度，则b′/a′的值可由式b′/a′＝{m′/(I′/b′²)}^1/2决定或与该值接近，这里的m′代表在X和Y轴向前后运动的弹性构件和把弹性构件所产生的力传到筒形振动体的力传输构件的质量和，以及I′代表所述筒形振动体的转动惯量。

9.根据权利要求1或2的探测显微镜的探测扫描装置，其特征在于：所述悬臂式弹性构件满足权利要求4中的表达式b/a，以及所述筒形振动体满足权利要求8中的表达式b′/a′。

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