CN2383063Y - 计量型扫描探针显微镜 - Google Patents

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徐龙
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范细秋
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Abstract

计量型扫描探针显微镜,机械部分包括隔震垫、底座、框架式弹性工作台、套管内下悬的压电陶管及带有微小细针的晶振,并由屏蔽罩遮蔽;控制电路部分包括计算机、反馈电路及放大电路;利用电容测微仪监测X、Y方向扫描位移构成闭环控制,采用参考晶振进行差分探测,消减环境影响,只需更换扫描探针部分即可进行STM、AFM等多种模式检测,仪器结构简单、扫描范围宽、测量稳定,具有计量意义的标准。

Description

计量型扫描探针显微镜
本实用新型涉及扫描隧道显微镜和纳米技术领域。
纳米技术的迅猛发展得益于80年代兴起的扫描探针技术。1982年由美国IBM公司的G.Binnig等人研制成功了扫描隧道显微镜(STM)，它使人类能实时地观察单个原子在物体表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理、化学性质。STM的研制成功被国际科学界公认为世界80年代十大成就之一，并由此引发了一场近场探测的革命。为了弥补STM只能测量导体和半导体表面电子结构的不足，1986年G.Binnig和斯坦福大学的C.F.Quate合作，研制出世界第一台原子力显微镜(AFM)，以用于绝缘材料的测量，从而扩大了STM的测量范围。之后其他学者又先后研究出了激光力显微镜(LFM)，磨擦力显微镜(FFM)，磁力显微镜(MFM)，静电力显微镜(EFM)，弹道电子发射显微镜(BEEM)，光子扫描隧道显微镜(PSTM)，扫描电容显微镜(SCaM)，扫描近场光学显微镜(SNOM)等，形成了一整套扫描探针显微镜(SPM)族。从而由表面形貌的检测发展到多种物理量的检测。SPM族仪器的兴起和发展为人们在纳米尺度上的研究提供了强有力的工具。它不仅在纳米测量中发挥了空前的作用，而且在纳米级加工与纳米级数据存储技术中也具有巨大的研究潜力。
SPM族仪器在技术上最为成熟也最为基础是STM和AFM。但是STM和以微悬臂作为测力传感器的AFM在不同程度上都有一定的不足之处。STM由于其测试信号为探针与样品之间所形成的隧道电流，只能直接观察导体和半导体的表面结构，对于非导电材料，必须在其表面复盖一层导电膜，而导电膜的存在往往复盖了表面的结构细节。即使对于导电样品STM观察到的是对应于表面费米能级上的态密度。当表面存在非单一电子态时，STM得到的是表面形貌和表面电子性能的综合结果，所以对表面形貌在三维方向的纳米级成像主要使用AFM。但是现在大量研究的以微悬臂原理的AFM，它不仅需要一个结构复杂的微小悬臂作为力的传感器，国内目前还无批量制造这种微小悬臂的能力，它是一个典型的微机械部件，而且还要一个激光干涉仪或电容测微仪用于检测微悬臂的微小位移来获得力场的变化信息。因而结构较为复杂，成本也很高，操作难度增大，也就造成其在应用中局限性。同时，现有各种扫描探针显微镜扫描器的扫描都存在一个定位标准问题，在其设计和使用中单纯追求高的分辨率，而没有建立起精度的概念，因此，目前的SPM仍然只是一种定性的观察仪器，而不能作为计量工具。瑞士非线性光学实验室的L.M.Eng等人研究了一种集STM、AFM、FFM功能于一体的系统，该系统不能进行EFM和MFM的测量，且也只能作为观察工具，另外该系统采用探头扫描，探头装置在悬臂支架上，X、Y、Z三个方向的位移均由一个压电陶管实现，相互干扰比较严重且悬臂支架影响系统的共振频率。(见L.M.Eng，K.D.Jandt，D.Descouts.Long-range Scanning Tunneling Microscope.Rev.Sci.Instrum.，65(2)，February 1994，390～393)。
本实用新型的目的是提高原有扫描隧道显微类表面仪器的精度，使之成为具有计量意义的仪器，同时简化其结构，改善测量的稳定性，推进其工程化应用。为达到该目的，本实用新型用一带有微小针尖的晶振取代具有复杂结构的微悬臂和激光位移检测装置；为了克服扫描和反馈用的压电元件的非线性与滞回，采用两个方向的高精度电容测微仪作为反馈检测装置，使测量结果具有计量意义。
本实用新型的计量型扫描探针显微镜，由机械部分和包括计算机的控制电路部分组成，机械部分包括隔震垫及其上带立柱的底座、底座立柱前端的压电陶管以及遮蔽整个机械部分的屏蔽罩，控制电路部分和机械部分通过导线联接，其特征为：
(1)套管嵌入底座立柱前端V形槽内，通过齿轮齿条传动啮合，底座立柱上安装有调节套管垂直运动的粗调手轮和细调手轮，
(2)压电陶管上端紧固在套管内、下端悬伸并装设有杆状晶振作为工作晶振，工作晶振末端采用粘接或化学沉积方法制备的微小细针、针尖曲率半径小于1μm，
(3)套管内安设有与所述工作晶振性能指标相同的杆状晶振、作为参考晶振，
(4)底座上固定有框架式弹性工作台，它由一个平面内两层柔性铰支结构组成，外层柔性铰支结构由与框架为一体的四个柔性铰支联接支承，并由Y向压电晶体微位移器经在框架上形成的两级杠杆驱动；内层柔性铰支结构由与外层柔性铰支结构为一体的四个柔性铰支联接支承，并由X向压电晶体微位移器经在外层柔性铰支结构上形成的两级杠杆驱动，两层柔性铰支结构被驱动方向互相垂直，
(5)在底座或框架式弹性工作台的框架上固定两个成90°置放的电容测微仪，电容测微仪与外层柔性铰支结构间隙小于200μm，
(6)控制电路部分的计算机控制信号分别经D/A转换、高压放大电路控制压电陶管和弹性工作台，工作晶振输出经前置放大电送入反馈电路、参考晶振输出经另一前置放大电路亦送入反馈电路、反馈电路输出分两路，一路经A/D转换送入计算机、再经显示电路进行图象显示，另一路直接送高压放大电路、经过高压放大控制压电陶管。
上述计量型的扫描控针显微镜，所述压电陶管可以由四片弧形压电陶瓷相邻90°粘接成管状，内壁为一整体电极接地，管表面为相邻90°的四个电极分别接四个驱动电源±Vx、±Vy，由计算机发出的X、Y、Z三个方向的信号通过一个分配器分配给四个驱动电源的输入端，工作晶振通过引出线焊接固定在压电陶管的中心线上。
上述计量型扫描探针显微镜，所述机械部分的屏蔽罩可以由分开的薄铁罩构成，下部分为一圆筒与其下方矩形立方盒体相贯、上部分为一封顶圆筒。
上述计量型扫描探针显微镜，其反馈电路可由差分电路、放大电路和比例积分电路(PID)级成，差分电路输出信号经放大电路放大后再送比例积分电路输出。
本实用新型中工作晶振带动其末端的微小细针以其固有频率振动，针尖曲率半径小于1μm时，空气中气体的动态阻力可以忽略，细针主要受远场力如范德华力作用，当针尖离样品表面距离发生变化时，晶振的振动特性也相应地发生变化，可以通过一个检测电路测得这个变化信号，经过计算机采样，便可以得到样品表面的形貌特征，即可进行AFM模式的测量。
类似同样原理，所述计量型扫描探针显微镜装设在工作晶振末端的所述微小细针为导电体时，可进行EFM模式的检测、测得样品表面局部电场的变化。
所述计量型扫描探针显微镜装设在工作晶振末端的所述微小细针为经磁化的镍针或铁针时，可进行MFM模式的检测，测得样品表面局部磁场的变化。
所述计量型扫描探针显微镜装设在工作晶振末端的所述微小细针为针尖曲率半径小于0.1μm的钨针时，可进行STM模式的检测，对导电材料进行超高分辨率的测量，横向分辨率0.1μm，纵向分辨率0.01μm。
本实用新型相对于微悬臂结构的SPM，在测量分辨率相当的条件下，结构简单，免去复杂的中间转换元件，成本大大下降，由于采用高精度的电容测微仪分别监视扫描器X、Y方向位移，构成闭环反馈，消除了压电元件的非线性和滞回，保证本实用新型具有计量意义的标准。只要更换带有不同微小细针的晶振模块，就可实现AFM、MFM、EFM和STM模式的检测，可以综合优化考虑，实现了一机多能，极大地扩大其使用范围，在不移动样品的条件下实现不同模式的测量，又可以进行不同类型的探针显微测量结果之间的对比，克服了样品移动带来的误差影响。采用参考晶振和基于差分原理的反馈电路改善了测量的稳定性，减小或消除温度、湿度变化等环境的影响。
图1为本实用新型机械部分的示意图。
图2A为本实用新型机械部分局部正视图；
图2B为图2A的侧视图。
图3为框架式弹性工作台示意图。
图4表示一个方向的两级杠杆驱动原理示意图。
图5为控制电路部分的电路框图。
图6为压电陶管示意图。
以下结合附图对本实用新型的结构进行说明：
图1中，以车胎作为隔震垫1，上面放有一块胶木板2，其上放置带立柱的底座3，底座上固定框架式弹性工作台4，整个机械部分由可分开的屏蔽罩进行电磁屏蔽和声音隔离，5为屏蔽罩上部分，6分屏蔽罩下部分。
根据图2A和图2B，套管7嵌入底座3立柱前端V形槽内，通过齿轮齿条传动啮合，底座立柱上安装有调节套管垂直运动的粗调手轮8和细调手轮9，压电陶管10上端可用一个精密螺钉紧固在套管内、下端悬伸并装设有末端带有微小细针的杆状晶振11，套管7内安放有与杆状晶振11性能指标相同的杆状晶振作为参考晶振，两个晶振均不带封装壳，工作频率为1MHz。在底座3或框架式弹性工作台4的框架上固定两个成90°置放的电容测微仪12，型号可为BHCWY-1型，被测样品13置于框架式弹性工作台4上。
图3进一步描述了框架式弹性工作台的结构，它由一个平面框架内两层柔性铰支结构组成，外层柔性铰支结构15由与框架16为一体的四个柔性铰支17联接支承，18为安放Y向压电晶体微位移器的空间，Y向压电晶体微位移器经在框架16上形成的外层第一级杠杆19和外层第二级杠杆20驱动外层柔性铰支结构在Y向运动；内层柔性铰支结构21由与外层柔性铰支结构15为一体的四个柔性铰支22联接支承，23为安放X向压电晶体微位移器的空间，X向压电晶体微位移器经在外层柔性铰支结构15上形成的内层第一级杠杆24和内层第二级杠杆25驱动内层柔性铰支结构在X向运动。压电晶体微位移器的型号可为WTDS-IB型。
图4表明两级杠杆驱动的原理示意，设压电晶体微位移器在b点输出一个微小位移Δd，经第一级杠杆ac和第二级杠杆eg放大后，在h点输出放大的位移d，驱动工作台运动。输出位移为： d = ( 1 + L 2 L 1 ) · ( 1 + L 4 L 3 ) · Δd 其中第一级杠杆机构放大比
Figure Y9923777400082
第二级杠杆机构放大比
图6所示PZT压电陶管，其长度为32mm，外径16mm，壁厚1mm，先将压电陶管一分为四，然后再粘接成管状，内壁为一整体电极接地，管表面为相邻90°的四个电极，分别接四个驱动电源±Vx、±Vy，由计算机发出的X、Y、Z三个方向的信号通过一个分配器分配给四个驱动电源的输入端。

Claims (7)

1.一种计量型扫描探针显微镜，由机械部分和包括计算机的控制电路部分组成，机械部分包括隔震垫及其上带立柱的底座、底座立柱前端的压电陶管以及遮蔽整个机械部分的屏蔽罩，控制电路部分和机械部分通过导线联接，其特征为：
(1)套管嵌入底座立柱前端V形槽内、通过齿轮齿条传动啮合，底座立柱上安装有调节套管垂直运动的粗调手轮和细调手轮，
(2)压电陶管上端紧固在套管内、下端悬伸并装设有杆状晶振作为工作晶振，工作晶振末端采用机械粘接或化学沉积方法制备的微小细针、针尖曲率半径小于1μm，
(3)套管内安设有与所述工作晶振性能指标相同的杆状晶振、作为参考晶振，
(4)底座上固定有框架式弹性工作台，它由一个平面内两层柔性铰支结构组成，外层柔性铰支结构由与框架为一体的四个柔性铰支联接支承，并由Y向压电晶体微位移器经在框架上形成的两级杠杆驱动；内层柔性铰支结构由与外层柔性铰支结构为一体的四个柔性铰支联接支承，并由X向压电晶体微位移器经在外层柔性铰支结构上形成的两级杠杆驱动，两层柔性铰支结构被驱动方向互相垂直，
(5)在底座或框架式弹性工作台的框架上固定两个90°置放的电容测微仪，电容测微仪与外层柔性铰支结构间隙小于200μm，
(6)控制电路部分的计算机控制信号分别经D/A转换、高压放大电路控制压电陶管和弹性工作台，工作晶振输出经前置放大电路送入反馈电路、参考晶振输出经另一前置放大电路亦送入反馈电路，反馈电路输出分两路、一路经A/D转换送入计算机、再经显示电路进行图象显示，另一路直接送高压放大电路、经过高压放大控制压电陶管。
2.如权利要求1所述的计量型扫描探针显微镜，其特征为所述压电陶管由四片弧形压电陶瓷相邻90°粘接成管状，内壁为一整体电极接地，管表面为相邻90°的四个电极分别接四个驱动电源±VX、±VY、由计算机发出的X、Y、Z三个方向的信号通过一个分配器分配给四个驱动电源的输入端，工作晶振通过引出线焊接固定在压电陶管的中心线上。
3.如权利要求1或2所述的计量型扫描探针显微镜，其特征为所述机械部分的屏蔽罩由可分开的薄铁罩构成，下部分为一圆筒与其下方矩形立方盒体相贯、上部分为一封顶圆筒。
4.如权利要求1或2所述的计量型扫描探针显微镜，其特征为所述反馈电路由差分电路、放大电路和比例积分电路(PID)组成，差分电路输出信号经放大电路放大后再送比例积分电路输出。
5.如权利要求4所述的计量型扫描探针显微镜，其特征为装设在工作晶振末端的所述微小细针为导电体。
6.如权利要求4所述的计量型扫描探针显微镜，其特征为装设在工作晶振末端的所述微小细针为经磁化的镍针或铁针。
7.如权利要求4所述的计量型扫描探针显微镜，其特征为装设在工作晶振末端的所述微小细针为针尖曲率半径小于0.1μm的钨针。
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