CN219657668U - 可集成正置光学显微镜的上扫描式原子力显微镜测头 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可集成正置光学显微镜的上扫描式原子力显微镜测头，包括：激光器、光电探测器、安装架、Z向扫描器、扫描器和微悬臂梁探针，安装架位于待测样品的上方并固装在扫描器的底端，Z向扫描器固装在安装架内，微悬臂梁探针固装在Z向扫描器的底端，激光器位于微悬臂梁探针的一侧，用于向微悬臂梁探针的悬臂梁发射激光且激光入射悬臂梁的方向与悬臂梁的长度方向垂直，在激光器和微悬臂梁探针之间的光路上安装有一第一会聚镜，光电探测器位于微悬臂梁探针的另一侧，在悬臂梁和光电探测器之间的光路上安装有一第二会聚镜。本实用新型避免了探针法向偏转信号和横向扭转信号的耦合，进而更准确地测量样品表面的形貌和摩擦力。

Description

可集成正置光学显微镜的上扫描式原子力显微镜测头

技术领域

本实用新型属于原子力显微镜测头技术领域，具体来说涉及一种可集成正置光学显微镜的上扫描式原子力显微镜测头。

背景技术

原子力显微镜是微纳米尺度形貌及物理特性表征的重要工具，其基本原理是利用一根微悬臂梁探针相对于样品做XY方向的扫描运动，样品的形貌起伏使得针尖与样品间距变化，继而导致探针受力变化，通过Z向的反馈机制)维持针尖-样品作用力恒定(即针尖样品间距恒定)，则XY扫描过程中Z向扫描器的上下位移即反映了样品表面的三维形貌。针尖样品间作用力可以通过检测悬臂梁的变形得到。这种变形十分微弱，常见的检测方法为激光偏转法(或称光杠杆法)，即以一束激光打在探针的悬臂梁上，悬臂梁发生形变时激光反射角随之改变，继而导致反射光束移动，通过光电探测器检测反射光斑的位移即可知悬臂梁的变形情况。如图4所示，针尖受到法向力(Z向)(a)和横向力(b)时，悬臂梁分别产生法向偏转和横向扭转，通过光路设计可以使这两种形变引起的反射光斑移动方向相互垂直，并分别平行于四象限光电探测器的两个轴，由四象限光电探测器两轴的输出信号即可辨别针尖的受力方向和大小(针尖受到法向力时四象限光电探测器上的光斑沿四象限光电探测器的纵轴方向运动，针尖受到横向力时四象限光电探测器上的光斑沿四象限光电探测器的横轴方向运动)。通常针尖受到的法向力被用来反映样品的形貌起伏，横向力被用来反映样品表面的摩擦性质。

原子力显微镜的结构可分为样品扫描、测头扫描以及样品-测头组合扫描三种类型。因扫描器承载能力的限制，对于尺寸和质量较大的样品必须采用测头扫描形式，即扫描成像时样品固定不动，测头带动探针做XY方向的扫描运动和Z方向的反馈运动，此类测头也称为上扫描式测头。上扫描式测头的关键设计难点在于激光跟踪，即必须保证测头运动时激光打在探针上的位置固定，且光电探测器上接收到的反射光斑位置不因测头的扫描运动而变化。此外，上扫描式测头还应当能够与光学显微观察光路耦合以便于观察样品及辅助装调探针。

目前最常用的上扫描式原子力测头采用图3所示的结构(美国专利：US5714682，中国专利：201110270933)。该测头中，激光束从扫描器顶部射入，通过位于扫描器内的跟踪透镜之后聚焦在固定于扫描器底部的探针上，探针反射光再经扫描器外部的会聚透镜到达光电探测器。跟踪透镜和探针在三维扫描器驱动下同步运动，当探针、跟踪透镜、外部的会聚透镜以及光电探测器的相对距离满足特定几何关系时，可保证激光在探针上的反射点固定且光电探测器承接到的反射光斑位置不随XY扫描运动而改变。测头中的扫描器可采用压电陶瓷管式扫描器(美国专利：US5714682),也可以采用纳米位移台扫描器(中国专利：201110270933)。此类方案的不足在于探针正上方的空间被跟踪透镜占据，无法采用常见的正置式光学显微镜直接观察样品和探针，只能将光学显微镜倾斜安装在测头旁边，从侧面进行观察。因空间所限，所用的光学显微镜只能配备长工作距离低数值孔径的低倍物镜。此外，为实现光路跟踪，必须严格保证测头中各元件的相对位置为特定值，这使得此类测头的装配较为复杂。

将探针及整个激光检测光路全部安装在扫描器上使之随扫描器一起运动也是一种实现激光跟踪的方法，但这一方案此前被普遍认为会导致扫描器负载过大而未被接受。扫描器负载较大时，其谐振频率会显著下降，动态性能变差；尤其是Z扫描器负载过大时将不能及时完成反馈运动，严重影响成像质量。

光电探测器如前所述，现有原子力显微镜大多采用四象限光电探测器横纵两个轴的输出信号分别反映悬臂梁探针的法向偏转形变(对应法向力)和横向扭转形变(对应横向力)。二者分别用于样品形貌高度检测和摩擦力检测，若发生两轴信号耦合则会影响测量结果的准确性。为避免信号耦合，原子力显微镜的检测光路通常采用激光沿Z向垂直向下投射到悬臂梁上且光电探测器横轴平行于水平面的方式，即激光和悬臂梁探针的宽度方向(短轴)垂直，探针的微小偏转和扭转形变可以分别反映为反射光斑在光电探测器纵轴和横轴上的平移。但正因为激光是垂直向下投射到悬臂梁上，因此悬臂梁正上方被激光光路占据，无法再安装高倍率的正置式光学显微镜用于辅助观察。

发明内容

针对现有技术的不足，本实用新型的目的是提供一种可集成正置光学显微镜的上扫描式原子力显微镜测头，该上扫描式原子力显微镜测头的激光检测光路和微悬臂梁探针整体安装在扫描器上，整体同步运动的方式实现激光对探针的跟踪，同时采用从微悬臂梁探针侧上方斜入射式的光杠杆光路解决探针正上方空间被挤占问题，通过让入射光垂直于悬臂梁探针的长轴，并让光电探测器横轴平行于悬臂梁探针长轴实现微悬臂梁探针法向偏转信号和横向扭转信号的去耦合。通过行程不同的两个Z扫描器的双反馈机制，减小Z向扫描时激光焦斑沿悬臂梁长轴位置变化对测量结果的影响。

本实用新型的另一目的是提供一种包括上扫描式原子力显微镜测头的上扫描式原子力显微镜，该上扫描式原子力显微镜实现微悬臂梁探针正上方空间的开放，以支持安装正置光学显微镜，实现原子力显微镜和光学显微镜两种手段的原位集成联用。

本实用新型的技术方案是通过下述技术方案予以实现的。

一种可集成正置光学显微镜的上扫描式原子力显微镜测头，包括：激光器、光电探测器、安装架、Z向扫描器、扫描器和微悬臂梁探针，所述安装架位于待测样品的上方并固装在所述扫描器的底端，以使所述扫描器带动安装架进行一维运动、二维运动或三维运动，所述Z向扫描器固装在所述安装架内，所述微悬臂梁探针固装在所述Z向扫描器的底端，Z向扫描器用于驱动所述微悬臂梁探针沿垂直于地面方向运动，所述激光器位于所述微悬臂梁探针的一侧，用于向所述微悬臂梁探针的悬臂梁发射激光且激光入射所述悬臂梁的方向与悬臂梁的长度方向垂直，在所述激光器和微悬臂梁探针之间的光路上安装有一第一会聚镜，以使所述激光器发射的激光在经过所述第一会聚镜后聚焦在所述悬臂梁上形成焦斑，所述光电探测器位于所述微悬臂梁探针的另一侧，用于接收被所述悬臂梁反射的激光，在所述悬臂梁和光电探测器之间的光路上安装有一第二会聚镜，以使形成所述焦斑的激光被悬臂梁反射后经过所述第二会聚镜后被光电探测器接收；所述微悬臂梁探针倾斜安装，悬臂梁的宽度方向平行于Y轴方向，所述微悬臂梁探针的自由端的针尖位于该微悬臂梁探针的最低点，所述悬臂梁与水平面的夹角为N度。

在上述技术方案中，入射所述悬臂梁的光束与被悬臂梁反射后的光束之间的夹角为60～90°。

在上述技术方案中，在所述第一会聚镜和所述激光器之间的光路上安装有第一反射镜组，用于将从所述激光器出射的激光反射至所述第一会聚镜，其中，所述第一反射镜组包括1个或多个平面镜。

在上述技术方案中，在所述第二会聚镜和所述光电探测器之间的光路上安装有第二反射镜组，以使经过所述第二会聚镜后的激光被反射至所述光电探测器，其中，所述第二反射镜组包括1个或多个平面镜。

在上述技术方案中，所述扫描器为三维扫描器。

在上述技术方案中，所述微悬臂梁探针上方的所述安装架为敞口，用于穿过观察所述待测样品的物镜，所述扫描器与所述安装架的敞口相对应的位置形成有通孔，用于穿过所述物镜。

在上述技术方案中，所述扫描器为压电陶瓷扫描器。

在上述技术方案中，所述微悬臂梁探针通过探针夹持器固装在所述Z向扫描器的底端。

在上述技术方案中，所述Z向扫描器的行程为<3μm。

在上述技术方案中，N度＝7～20°。

一种上扫描式原子力显微镜，包括：上扫描式原子力显微镜测头。

本实用新型上扫描式原子力显微镜测头的有益效果如下：

1、激光器和光电探测器倾斜安装，使射向微悬臂梁探针的激光垂直于悬臂梁的长度方向，光电探测器的横轴平行于悬臂梁的长度方向，微悬臂梁探针的法向力和横向受力在光电探测器上所引起的反射光斑位移分别平行于光电探测器的横轴和纵轴，从而避免了探针法向偏转信号和横向扭转信号的耦合，可以更好地区分探针法向和横向受力情况，进而更准确地测量样品表面的形貌和摩擦力。

2、微悬臂梁探针和激光检测光路都安装在扫描器上，在扫描过程中各元件之间的相对位置固定，可以实现激光跟踪，适用于大尺寸样品检测；

3、上扫描式原子力显微镜测头中的激光检测光路分布在微悬臂梁探针两侧，微悬臂梁探针正上方空间开放无遮挡，可使用数值孔径>0.4、工作距离>18mm的正置光学显微镜自顶向下观察微悬臂梁探针和待测样品，实现原子力显微镜和正置高倍光学显微镜的集成联用；

4、本实用新型采用小行程高速Z向扫描器和大行程三维的扫描器配合实现大行程扫描和高速反馈。

本实用新型微悬臂梁探针和激光焦斑的对准借助外部调节机构，调整完成后外部调节机构撤除，可避免增加测头负载。

本实用新型第一会聚镜和第二会聚镜离悬臂梁较近(小于30mm)，可使用数值孔径大(大于0.3)的透镜以得到较小的激光焦斑，有助于避免漏光现象；

附图说明

图1为本实用新型上扫描式原子力显微镜测头和物镜的结构示意图；

图2为实施例3中上扫描式原子力显微镜测头中部分结构和物镜的侧视图；

图3为现有上扫描式原子力测头的结构示意图；

图4为悬臂梁偏转和扭转对应光电探测器上反射光斑的位移，其中，a为针尖受到法向力时，b为针尖受到横向力时；

图5为本实用新型扫描器和Z向扫描器的工作机制。

1：激光器，2：第一反射镜组，2-1：第一平面镜，2-2：第二平面镜，3：扫描器，4：第一会聚镜，5：安装架，6：Z向扫描器，7：探针夹持器，8：微悬臂梁探针，9：第二会聚镜，10：第二反射镜组，10-1：第三平面镜，10-2：第四平面镜，11：物镜，12：光电探测器，13：调整架，14-1：第一斜面转接板，14-2：第二斜面转接板，15：磁性连接板。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本实用新型的技术方案。

实施例1

如图1所示，一种可集成正置光学显微镜的上扫描式原子力显微镜测头，包括：激光器1、光电探测器12、安装架5、Z向扫描器6、扫描器3和微悬臂梁探针8，安装架5位于待测样品的上方并固装在扫描器3的底端，以使扫描器3带动安装架5进行一维运动、二维运动或三维运动，Z向扫描器6固装在安装架5内，微悬臂梁探针8固装在Z向扫描器6的底端，Z向扫描器6用于驱动微悬臂梁探针8沿垂直于地面方向(即Z向)运动，微悬臂梁探针8在Z向扫描器6的驱动下做高速Z向反馈运动，激光器1位于微悬臂梁探针8的一侧，用于向微悬臂梁探针8的悬臂梁发射激光且激光入射悬臂梁的方向与悬臂梁的长度方向垂直，在激光器1和微悬臂梁探针8之间的光路上安装有一第一会聚镜4，以使激光器1发射的激光在经过第一会聚镜4后聚焦在悬臂梁上形成焦斑，光电探测器12位于微悬臂梁探针8的另一侧，用于接收被悬臂梁反射的激光，在悬臂梁和光电探测器12之间的光路上安装有一第二会聚镜9，以使形成焦斑的激光被悬臂梁反射后经过第二会聚镜9后被光电探测器12接收；微悬臂梁探针8倾斜安装，悬臂梁的宽度方向平行于Y轴方向，位于微悬臂梁探针8的自由端的针尖位于该微悬臂梁探针8的最低点，悬臂梁所在平面与水平面的夹角为N度，N度＝7～20°，优选为7～12°，图1中所示N＝8°。

激光器1、光电探测器12、第一会聚镜4和第二会聚镜9均固装在安装架5内。

上扫描式原子力显微镜测头包含Z向扫描器和扫描器，其中，扫描器作为大行程Z扫描器，用于低频形貌信号的反馈；一维运动的Z向扫描器作为小行程Z扫描器，用于中高频形貌信号的反馈。二者工作机制如图5所示。其中大行程Z扫描器以小行程Z扫描器的位移量为反馈输入信号，通过反馈机制使小行程Z扫描器始终处于其行程中点附近；小行程Z扫描器以微悬臂梁探针的偏转量或振幅为反馈输入信号，设定值为指定偏转值或指定振幅值，即通过反馈机制使微悬臂梁探针与样品间距保持恒定。由于小行程Z扫描器仅驱动探针夹持器，载荷较轻，可以保持较高的响应速度。小行程Z扫描器的运动范围<3μm。

实施例2

在实施例1的基础上，入射悬臂梁的光束与被悬臂梁反射后的光束之间的夹角为60～90°。

在第一会聚镜4和激光器1之间的光路上安装有第一反射镜组2，用于将从激光器1出射的激光反射至第一会聚镜4，其中，第一反射镜组2包括1个或多个平面镜。在第二会聚镜9和光电探测器12之间的光路上安装有第二反射镜组10，以使经过第二会聚镜9后的激光被反射至光电探测器12，其中，第二反射镜组10包括1个或多个平面镜。第一反射镜组2和第二反射镜组10均固装在安装架5内。激光器1出射光束经过第一反射镜组2反射后，经过第一会聚镜4聚焦在微悬臂梁探针8上。悬臂梁的反射光先后依次经过第二会聚镜9和第二反射镜组10后打在光电探测器12上。

扫描器3为三维扫描器，具体可以为压电陶瓷扫描器。

为了实现原子力显微镜和正置高倍光学显微镜的集成联用，微悬臂梁探针8上方的安装架5为敞口，用于穿过观察待测样品的正置高倍光学显微镜的物镜11，扫描器3与安装架5的敞口相对应的位置形成有通孔，用于穿过物镜11。

进一步说明，微悬臂梁探针8通过探针夹持器7固装在Z向扫描器6的底端，探针夹持器7可以通过胶粘固定在Z向扫描器6的底端，微悬臂梁探针8通过簧片安装在探针夹持器7内。

Z向扫描器6的行程为小于2μm。

光电探测器通过调整架13安装在安装架5内，通过调整架13可调整光电探测器12的位置，使反射光斑落在光电探测器12的中心。

实施例3

在实施例1或2的基础上，每次改变悬臂梁所在平面与水平面的夹角时，均需要调整第一会聚镜4、激光器1、第二会聚镜9和光电探测器12的位置，以实现激光器1向微悬臂梁探针8的悬臂梁发射激光入射悬臂梁的方向与悬臂梁的长度方向垂直。可以设置第一斜面转接板14-1和第二斜面转接板14-2，通过整体更换不同N数值的第一斜面转接板14-1和第二斜面转接板14-2，可以更加低成本、便捷的调整第一会聚镜4、激光器1、第二会聚镜9和光电探测器12的位置。

如图2所示，第一斜面转接板14-1的上表面和第二斜面转接板14-2的下表面均与水平面平行，第一斜面转接板14-1的下表面倾斜设置且与第一斜面转接板14-1的上表面之间的夹角为N；第一斜面转接板14-1的上表面固装在扫描器3的底端，安装架5安装在第一斜面转接板14-1的下表面。第二斜面转接板14-2的上表面倾斜设置且与第二斜面转接板14-2的下表面之间的夹角为N，即第一斜面转接板14-1的下表面与第二斜面转接板14-2的上表面平行，第二斜面转接板14-2的上表面固装在安装架5内，Z向扫描器6的顶端与第二斜面转接板14-2的下表面固装。

为了实现便捷的更换，第二斜面转接板14-2的上表面可以通过磁性连接板15固装在安装架5内，磁性连接板15通过磁力与安装架5吸附。

通过借助外部二维调整架(图中未示出)可以调整磁性连接板15在安装架5内的水平固定位置，确保悬臂梁位于激光焦点处。

实施例4

如图1所示，在实施例2或3的基础上，第一反射镜组2包括两个平面镜：第一平面镜2-1以及位于第一平面镜2-1上方的第二平面镜2-2，激光器1发射的激光被第一平面镜2-1反射至第二平面镜2-2，再被第二平面镜2-2反射至第一会聚镜4；第二反射镜组10包括两个平面镜：第三平面镜10-1以及位于第三平面镜10-1下方的第四平面镜10-2，经过第二会聚镜9后的光束被第三平面镜10-1反射至第四平面镜10-2，再被第四平面镜10-2反射至光电探测器12。

为了实现激光器1向微悬臂梁探针8的悬臂梁发射激光入射悬臂梁的方向与悬臂梁的长度方向垂直，第三平面镜10-1和第二平面镜2-2的所在平面均与悬臂梁所在平面平行。即当悬臂梁所在平面与水平面的夹角为N度时，第三平面镜10-1和第二平面镜2-2均与水平面的夹角为N度。

实施例5

在上述实施例中，激光器1为功率5mW、波长650nm、出射光斑直径约2mm的二极管激光器。激光器1的出射光为平行光或近似平行的小角度会聚光。光电探测器12采用感光面5mm×5mm的四象限光电探测器，感光面垂直于激光来的方向。调整架13采用15mm×15mm×14mm的袖珍型精密手动二维位移台，其两轴调节行程均为4mm。

第一平面镜2-1和第四平面镜10-2均为14mm×10mm×1mm的镀银膜平面镜，其反射面位于平面镜的上表面。第二平面镜2-2和第三平面镜10-1均为22mm×14mm×1.6mm的镀银膜平面镜，其反射面位于平面镜的下表面。当N＝8°时，第一平面镜2-1的反射面朝向激光器1一侧的斜上方，第一平面镜2-1和第二平面镜2-2之间的夹角为22.5°，第四平面镜10-2的反射面朝向光电探测器12一侧的斜上方，第四平面镜10-2和第三平面镜10-1之间的夹角为22.5°。

第一会聚镜4和第二会聚镜9均为直径6mm、焦距30mm、镀400nm～700nm增透膜的平凸透镜，其主光轴与悬臂梁所在平面成45°角，以使由第二平面镜2-2反射的激光束沿第一会聚镜4的主光轴入射，由悬臂梁反射的激光束沿第二会聚镜9的主光轴出射。

扫描器3采用一体式XYZ三维纳米位移台，三维行程为50μm×50μm×10μm。

Z向扫描器6采用截面为方形的叠堆式压电陶瓷，尺寸5mm×5mm×6mm，有效行程3μm。

实施例6

一种上扫描式原子力显微镜，包括：实施例1～5中的一个上扫描式原子力显微镜测头。本实施例的上扫描式原子力显微镜可以与正置高倍光学显微镜集成联用。正置高倍光学显微镜中的物镜穿过上扫描式原子力显微镜测头中的扫描器3和安装架5的敞口，以观察微悬臂梁探针8正下方的待测样品。物镜11可以采用20X复消色差物镜，工作距离为20mm，数值孔径为0.42。

以上对本实用新型做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本实用新型的核心的情况下，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实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种可集成正置光学显微镜的上扫描式原子力显微镜测头，其特征在于，包括：激光器(1)、光电探测器(12)、安装架(5)、Z向扫描器(6)、扫描器(3)和微悬臂梁探针(8)，所述安装架(5)位于待测样品的上方并固装在所述扫描器(3)的底端，以使所述扫描器(3)带动安装架(5)进行一维运动、二维运动或三维运动，所述Z向扫描器(6)固装在所述安装架(5)内，所述微悬臂梁探针(8)固装在所述Z向扫描器(6)的底端，Z向扫描器(6)用于驱动所述微悬臂梁探针(8)沿垂直于地面方向运动，所述激光器(1)位于所述微悬臂梁探针(8)的一侧，用于向所述微悬臂梁探针(8)的悬臂梁发射激光且激光入射所述悬臂梁的方向与悬臂梁的长度方向垂直，在所述激光器(1)和微悬臂梁探针(8)之间的光路上安装有一第一会聚镜(4)，以使所述激光器(1)发射的激光在经过所述第一会聚镜(4)后聚焦在所述悬臂梁上形成焦斑，所述光电探测器(12)位于所述微悬臂梁探针(8)的另一侧，用于接收被所述悬臂梁反射的激光，在所述悬臂梁和光电探测器(12)之间的光路上安装有一第二会聚镜(9)，以使形成所述焦斑的激光被悬臂梁反射后经过所述第二会聚镜(9)后被光电探测器(12)接收；所述微悬臂梁探针(8)倾斜安装，悬臂梁的宽度方向平行于Y轴方向，所述微悬臂梁探针(8)的自由端的针尖位于该微悬臂梁探针(8)的最低点，所述悬臂梁与水平面的夹角为N度。

2.根据权利要求1所述的上扫描式原子力显微镜测头，其特征在于，入射所述悬臂梁的光束与被悬臂梁反射后的光束之间的夹角为60～90°。

3.根据权利要求1所述的上扫描式原子力显微镜测头，其特征在于，在所述第一会聚镜(4)和所述激光器(1)之间的光路上安装有第一反射镜组(2)，用于将从所述激光器(1)出射的激光反射至所述第一会聚镜(4)，其中，所述第一反射镜组(2)包括1个或多个平面镜。

4.根据权利要求1或3所述的上扫描式原子力显微镜测头，其特征在于，在所述第二会聚镜(9)和所述光电探测器(12)之间的光路上安装有第二反射镜组(10)，以使经过所述第二会聚镜(9)后的激光被反射至所述光电探测器(12)，其中，所述第二反射镜组(10)包括1个或多个平面镜。

5.根据权利要求1所述的上扫描式原子力显微镜测头，其特征在于，所述扫描器(3)为三维扫描器(3)。

6.根据权利要求1所述的上扫描式原子力显微镜测头，其特征在于，所述微悬臂梁探针(8)上方的所述安装架(5)为敞口，用于穿过观察所述待测样品的物镜(11)，所述扫描器(3)与所述安装架(5)的敞口相对应的位置形成有通孔，用于穿过所述物镜(11)。

7.根据权利要求1所述的上扫描式原子力显微镜测头，其特征在于，所述扫描器(3)为压电陶瓷扫描器(3)。

8.根据权利要求1所述的上扫描式原子力显微镜测头，其特征在于，所述微悬臂梁探针(8)通过探针夹持器(7)固装在所述Z向扫描器(6)的底端，所述Z向扫描器(6)的行程为<3μm。

9.根据权利要求1所述的上扫描式原子力显微镜测头，其特征在于，N度＝7～20°。

10.一种上扫描式原子力显微镜，其特征在于，包括如权利要求1所述的上扫描式原子力显微镜测头。