CN215910518U - 原子力显微镜 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种原子力显微镜，包括：光杠杆检测模块，光杠杆检测模块包括非相干光源、准直镜、反射镜和光电探测器组件；扫描器模块，扫描器模块包括会聚透镜、反射面、微悬臂梁探针和扫描器组件，会聚透镜、反射面和微悬臂梁探针均设置在扫描器组件上；非相干光源发出的光通过准直镜进入会聚透镜，通过会聚透镜的光被反射面反射至探针的微悬臂梁上，微悬臂梁反射光经反射面返回会聚透镜，然后再通过反射镜进入光电探测器组件。本实用新型解决了现有技术中原子力显微镜在检测的时候由激光干涉现象引起的噪声问题。

Description

原子力显微镜

技术领域

本实用新型涉及原子力显微镜的技术领域，具体而言，涉及一种原子力显微镜。

背景技术

原子力显微镜的成像原理是借助微悬臂梁探针扫描样品表面，通过检测由针尖-样品间相互作用力所引起的微悬臂梁的弯曲形变获得样品表面的三维形貌。微悬臂梁的形变检测通常采用光杠杆方式，即以一束会聚的光束照射悬臂梁，悬臂梁的形变导致反光角度变化，通过检测反射光在光电探测器上的光斑位置移动即可知悬臂梁的形变。现有技术中，光杠杆是以管激光器作为光源，进行检测的，其优点在于成本低廉、指向性好。

由于激光具有相干性，样品表面的反射光与悬臂梁的反射光会产生干涉进而导致光电探测器的输出信号出现周期性波动。尤其当使用尺寸更小的高速型探针时，激光泄漏几率增大，因干涉引起的信号波动噪声也会更显著。

实用新型内容

本实用新型提供了一种原子力显微镜，解决了现有技术中原子力显微镜在检测的时候信号相干涉的问题。

根据本实用新型的技术方案，提供了一种原子力显微镜，包括：光杠杆检测模块，光杠杆检测模块包括非相干光源、准直镜、反射镜和光电探测器组件；扫描器模块，扫描器模块包括会聚透镜、反射面、微悬臂梁探针和扫描器组件，会聚透镜、反射面和微悬臂梁探针均设置在扫描器组件上；非相干光源发出的光通过准直镜进入会聚透镜，通过会聚透镜的光由反射面反射至微悬臂梁探针，微悬臂梁探针反射光经反射面返回会聚透镜，然后再由反射镜反射至光电探测器组件。

进一步地，扫描器组件包括连接件、X向扫描器、Y向扫描器和Z向扫描器，样品放置在X向扫描器上，Z向扫描器经连接件搭载于Y向扫描器上，Z向扫描器和Y向扫描器共同驱动微悬臂梁探针沿Z向和Y向移动。

进一步地，Z向扫描器位于连接件和微悬臂梁探针之间，微悬臂梁探针通过探针夹持器固定在Z向扫描器底部且针尖位于最低点。

进一步地，X向扫描器位于微悬臂梁探针的下方。

进一步地，会聚透镜和反射面均固定于连接件上，连接件的水平板上具有通光孔，通光孔位于所述反射面的下方。

进一步地，光电探测器组件包括第一滤光片和光电探测器，经过反射镜的光通过第一滤光片到达光电探测器。

进一步地，原子力显微镜还包括光学显微镜模块，以观察微悬臂梁探针与样品的配合。

进一步地，光学显微镜模块包括物镜、照明光源、分束器、管镜和相机，照明光源发射的光通过物镜进入扫描器模块，然后依次反射至物镜、分束器、管镜进入相机。

进一步地，光学显微镜模块还包括第二滤光片，第二滤光片设置在管镜和分束器之间。

进一步地，非相干光源包括超辐射发光二极管或LED。

应用本实用新型的技术方案，光杠杆检测模块采用非相干光源，这样可以避免在样品表面的反射光与微悬臂梁探针的悬臂梁的反射光产生干涉而导致光电探测器组件的输出信号出现周期性的波动。本实用新型的技术方案有效地解决了现有技术中的原子力显微镜在检测的时候由激光干涉现象引起的噪声问题。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本公开示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本公开的若干实施方式，并且相同或对应的标号表示相同或对应的部分，其中：

图1是示出了本实施例的原子力显微镜的光路原理结构示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、光杠杆检测模块；11、非相干光源；12、准直镜；13、反射镜； 14、光电探测器组件；20、扫描器模块；21、会聚透镜；22、反射面；23、微悬臂梁探针；24、扫描器组件；241、连接件；242、X向扫描器；243、 Y向扫描器；244、Z向扫描器；30、光学显微镜模块；31、物镜；32、照明光源；33、分束器；34、管镜；35、相机；36、第二滤光片；40、探针夹持器；100、样品。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位旋转90度或处于其他方位，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

现在，将参照附图更详细地描述根据本公开的示例性实施方式。然而，这些示例性实施方式可以由多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施方式。应当理解的是，提供这些实施方式是为了使得本申请的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施方式的构思充分传达给本领域普通技术人员，在附图中，为了清楚起见，扩大了层和区域的厚度，并且使用相同的附图标记表示相同的器件，因而将省略对它们的描述。

如图1所示，本实施例提供了一种原子力显微镜，包括：光杠杆检测模块10和扫描器模块20。光杠杆检测模块10包括非相干光源11、准直镜12、反射镜13和光电探测器组件14。扫描器模块20包括会聚透镜21、反射面22、微悬臂梁探针23和扫描器组件24，会聚透镜21、反射面22 和微悬臂梁探针23均设置在扫描器组件24上。非相干光源11发出的光通过准直镜12进入会聚透镜21，通过会聚透镜21的光由反射面反射至微悬臂梁探针23上，微悬臂梁探针23的反射光经反射面返回会聚透镜21，然后再由反射镜13反射至光电探测器组件14。

应用本实施例的技术方案，光杠杆检测模块10采用非相干光源11，这样可以避免在样品100表面的反射光与微悬臂梁探针的悬臂梁的反射光产生干涉而导致光电探测器组件14的输出信号出现周期性的波动。本实施例的技术方案有效地解决了现有技术中的原子力显微镜在检测的时候因激光干涉引起的噪声问题。需要说明的是，反射面可以为分束器也可以是反光镜，上述的反射面能够实现会聚透镜射来的光变成垂直向下的光打到微悬臂梁探针上，再把微悬臂梁探针返回的光反射到会聚透镜中即可。

在本实施例的技术方案中，扫描器组件24包括连接件241、X向扫描器242、Y向扫描器243和Z向扫描器244，样品100放置在X向扫描器242上，Z向扫描器244和Y向扫描器243均与连接件241相连，以驱动微悬臂梁探针23沿Z向和Y向移动。通过调整X向扫描器242、Y向扫描器243和Z向扫描器244可以将检测位置的设置在最佳位置，这样检测的效果更好。需要说明的是，在本实施例的技术方案中，扫描器组件24 的位置移动是通过压电陶瓷来实现的。X向扫描器242、Y向扫描器243 和Z向扫描器244的作用是小范围扫描成像，为如需在较大范围内调整检测位置，本实施例中还应包括X向粗定位平台、Y向粗定位平台和Z向粗定位平台，上述的三个方向的粗定位平台均是由电机驱动，行程范围为厘米级。原子力显微镜除X扫描器及样品以外的部分整体安装在Z向电机平台上，X向扫描器242和测头相互独立，样品100安装在X向扫描器 242上，X向扫描器242安装在X向粗定位平台和Y向粗定位平台上。如图1中所示，框图A表示测头，框图B表示Z向电机平台，框图C表示 X向粗定位平台和Y向粗定位平台。需要说明的是，粗定位平台应满足如下要求：1.Z轴粗定位平台(Z向电机位移平台)必须用电机位移平台， X轴粗定位平台和Y轴粗定位平台可以是电机驱动的也可以是手动的。2. Z轴电机位移台可以安装在X扫描器下方，托着X扫描器和样品上下运动，实现对微悬臂梁探针的接近和远离；也可以设置在上方，即让测头安装在Z向电机平台上，Z向电机带动整个测头竖直运动，接近和远离样品。 3.X粗定位平台和Y粗定位平台可以是两个独立的一维运动平台，X扫描器和Y扫描器分别安装在X粗定位平台和Y粗定位平台上；也可以是集成的二维运动平台，驱动X扫描器和样品相对于微悬臂梁探针运动，或者驱动整个测头相对于样品运动。这里整个测头指的是样品以上的所有部分。作为优选的方案，Z电机平台带动测头运动，X电机和Y电机带动X 扫描器和样品运动。

在本实施例的技术方案中，Z向扫描器244和微悬臂梁探针23均连接在连接件241的底部，Z向扫描器244位于连接件241和微悬臂梁探针 23之间，Y向扫描器243连接在连接件241的侧面。在图1中的X向为垂直纸面的方向，Y向为左右方向，Z向为上下方向。具体地，连接件的作用是把Z向扫描器244连接在Y向扫描器243上，Y向扫描器243驱动连接件241在Y轴方向扫描运动。因为Z向扫描器244是固定在连接件241上的，所以Z向扫描器244也跟着一起沿Y轴运动，Z向扫描器244自身做Z向反馈运动，于是固定在Z向扫描器244上的探针(微悬臂梁探针)就同时做Y向扫描运动和Z向反馈运动。

需要说明的是，本实施例原子力显微镜还包括探针夹持器40，微悬臂梁探针23是固定在探针夹持器40里的，探针夹持器固定在Z向扫描器 244的底部。微悬臂梁探针23装在探针夹持器40中后，微悬臂梁探针23 的悬臂梁(微悬臂梁)与水平面成一定倾角(优选倾角在10°至12°之间)，并保证微悬臂梁探针23的针尖位于测头的最下方。

如图1所示，在本实施例的技术方案中，X向扫描器242位于微悬臂梁探针23的下方。这样的设计使得X向扫描器242和Y向扫描器243相互独立，避免了X向扫描器242和Y向扫描器243集成在一起时两轴之间的运动耦合现象，另外，X向扫描器242和Y向扫描器243相互独立，均只有一个自由度，这样的一维扫描器结构简单，带宽可以做得较大，有利于提升扫描速度。

如图1所示，在本实施例的技术方案中，连接件241包括水平板和立板，立板位于水平板的远离非相干光源11的一侧，水平板具有通光孔，会聚透镜21和反射面均安装在水平板上。上述结构加工成本较低，结构紧凑。光的进出通过水平板上的通光孔就可以实现，不需要单独设置避让结构。具体地，会聚透镜位于通光孔靠近非相干光源11的一侧，反射面设置在通光孔的上方。需要说明的是，连接件241的结构并不限于此，连接件241还可以为其它能够实现该作用的结构形式。

在本实施例的技术方案中，光电探测器组件14包括第一滤光片和光电探测器，经过反射镜13的光通过第一滤光片到达光电探测器。这样的结构使得检测更加清晰。需要说明的是，在本实施例的技术方案中，第一滤光片为带通滤光片，当光源波长大于可见光波长的时候，带通滤光片可以更换为低通滤光片。

如图1所示，在本实施例的技术方案中，原子力显微镜还包括光学显微镜模块30，以观察微悬臂梁探针23与样品100的配合。光学显微镜模块30的设置方便了观察检测位置的配合情况，便于调整样品100和微悬臂梁探针23的配合情况。

如图1所示，在本实施例的技术方案中，光学显微镜模块30包括物镜31、照明光源32、分束器33、管镜34和相机35，照明光源32发射的白光通过物镜31进入扫描器模块20，然后依次反射至物镜31、分束器33、管镜34进入相机35。上述结构的光学显微镜观察的比较清晰，具体地，光学显微镜位于通光孔的上侧。照明光源32设置在分束器33的入射光路上，照明光源32同轴耦合进入物镜31，物镜31的焦平面位于微悬臂梁探针23或位于样品100的表面。本实施例的X向扫描器242、Y向扫描器 243和Z向扫描器244相互正交，扫描区域为纯平面，不存在传统的管式三维扫描器的固有面型畸变，X向扫描器242、Y向扫描器243和Z向扫描器均为独立一维运动结构，比集成的二维或者三维扫描器，具有更简单的机械结构和更优的动态性能。X向扫描器242和Y向扫描器243的运动均不改变光束传播方向，因此理论上对于任意大小的X向扫描器242和Y 向扫描器243的行程都不会影响光在微悬臂梁探针23的悬臂梁上的反射位置和角度。

如图1所示，在本实施例的技术方案中，光学显微镜模块30还包括第二滤光片36，第二滤光片36设置在管镜34和分束器33之间。第二滤光片36的设置避免了强反射光的干扰，使得观察效果更好。在本实施例的技术方案中，第二滤光片36为带阻滤光片，根据需要带阻滤光片也可以更换为高通滤光片。

在本实施例的技术方案中，非相干光源11包括超辐射发光二极管或 LED。上述的光源可以减小噪声。

光杠杆检测模块10和光学显微镜模块30分别装在三维微动台上，通过微动台调整光杠杆检测模块10和光学显微镜模块30相对扫描器模块20 的位置，以确保光束与会聚透镜21的主光轴重合且光学显微镜模块30对将要观察的位置清晰成像。扫描开始前，先借助光学显微镜模块30观察并调整样品100的位置，使待测点位于微悬臂梁探针23的下方。本实施例的原子力显微镜的进针过程由Z向电机平台带动测头整体下移实现。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

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

Claims (10)

1.一种原子力显微镜，其特征在于，包括：

光杠杆检测模块(10)，所述光杠杆检测模块(10)包括非相干光源(11)、准直镜(12)、反射镜(13)和光电探测器组件(14)；

扫描器模块(20)，所述扫描器模块(20)包括会聚透镜(21)、反射面(22)、微悬臂梁探针(23)和扫描器组件(24)，所述会聚透镜(21)、所述反射面(22)和微悬臂梁探针(23)均设置在所述扫描器组件(24)上；

所述非相干光源(11)发出的光通过准直镜(12)进入所述会聚透镜(21)，通过所述会聚透镜(21)的光被反射面(22)反射至所述微悬臂梁探针(23)的微悬臂梁上，所述微悬臂梁探针(23)反射的光经所述反射面(22)返回所述会聚透镜(21)，然后再由所述反射镜(13)反射至所述光电探测器组件(14)。

2.根据权利要求1所述的原子力显微镜，其特征在于，所述扫描器组件(24)包括连接件(241)、X向扫描器(242)、Y向扫描器(243)和Z向扫描器(244)，样品(100)放置在所述X向扫描器(242)上，所述Z向扫描器(244)经连接件(241)搭载在所述Y向扫描器(243)上，所述Z向扫描器(244)和Y向扫描器(243)共同驱动所述微悬臂梁探针(23)沿Z向和Y向移动。

3.根据权利要求2所述的原子力显微镜，其特征在于，所述Z向扫描器(244)固定在所述连接件(241)的底部，所述微悬臂梁探针(23)安装于所述Z向扫描器(244)底部。

4.根据权利要求2所述的原子力显微镜，其特征在于，所述X向扫描器(242)位于所述微悬臂梁探针(23)的下方。

5.根据权利要求2所述的原子力显微镜，其特征在于，所述会聚透镜(21)和所述反射面(22)均固定于所述连接件(241)上，所述连接件(241)的水平板上具有通光孔，通光孔位于所述反射面(22)的下方。

6.根据权利要求1所述的原子力显微镜，其特征在于，所述光电探测器组件(14)包括第一滤光片和光电探测器，经过所述反射镜(13)的光通过所述第一滤光片到达所述光电探测器。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的原子力显微镜，其特征在于，所述原子力显微镜还包括光学显微镜模块(30)，以观察所述微悬臂梁探针(23)与样品(100)的配合。

8.根据权利要求7所述的原子力显微镜，其特征在于，所述光学显微镜模块(30)包括物镜(31)、照明光源(32)、分束器(33)、管镜(34)和相机(35)，所述照明光源(32)发射的光通过所述物镜(31)进入所述扫描器模块(20)，然后依次反射至所述物镜(31)、所述分束器(33)、所述管镜(34)进入所述相机(35)。

9.根据权利要求8所述的原子力显微镜，其特征在于，所述光学显微镜模块(30)还包括第二滤光片(36)，所述第二滤光片(36)设置在所述管镜(34)和所述分束器(33)之间或所述管镜(34)和所述相机(35)之间。

10.根据权利要求1至6中任一项所述的原子力显微镜，其特征在于，所述非相干光源(11)包括超辐射发光二极管或LED。

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