專利名稱：基于角度測量的原子力顯微鏡測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于角度測量的原子力顯微鏡測量裝置，屬于原子力顯微鏡(AFM)的探針/懸臂梁信號的檢測系統(tǒng)及裝置。
背景技術(shù)：
當懸臂梁的端部受力時，其端部會產(chǎn)生兩種變形，一種是撓度，另一種是轉(zhuǎn)角。原子力顯微鏡利用微懸臂梁尖端的探針，當探針接近或接觸被測物體表面時，探針與樣品之間會發(fā)生力的相互作用，該作用力會使微懸臂梁產(chǎn)生彎曲變化，因此，微懸臂梁彎曲量的變化可以通過兩種方式進行檢測，即測量原子力顯微鏡的微懸臂梁的撓度變化，或者測量原子力顯微鏡的微懸臂梁的尖端轉(zhuǎn)角變化。
目前以原子力顯微鏡為代表的通過檢測微懸臂梁的彎曲變化得到被測物體表面信息的這一類儀器，均采用測量微懸臂梁的受力后的撓度變化，AFM探頭(包括帶有針尖的懸臂梁及其固定裝置)的懸臂梁的固定端位置必須保持不變，AFM三維掃描驅(qū)動器必須在樣品或探針的一側(cè)，如美國Veeco公司的多功能原子力顯微鏡，日本精工的原子力顯微鏡等，通常三維微動機構(gòu)都安裝在被測物體一側(cè)。當激光打到微懸臂梁上時，由于微懸臂梁撓度的變化，引起反射光的偏擺，使光電探測器上光點位置發(fā)生變化，通過檢測光點位置的變化量，從而得到微懸臂梁的撓度變化量，進而得到測力變化量和物體表面輪廓。這種方法雖然結(jié)構(gòu)上簡單適于商業(yè)生產(chǎn)，但在此類顯微鏡的恒力模式下掃描過程中，由于探針固定端位置的改變，從而引入測量原理誤差，要獲得高精度的測量結(jié)果，必須進行誤差修正或嚴格的校正。這種方法對被測物體的大小、重量及掃描范圍等都有著比較嚴格的要求或限制，如10毫米×10毫米×1-2毫米。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于角度測量的原子力顯微鏡測量裝置，特別是原子力顯微鏡類的微懸臂梁信號的檢測系統(tǒng)及裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計，擴大原子力顯微鏡應(yīng)用范圍。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的基于角度測量的原子力顯微鏡測量裝置，其特征在于原子力顯微鏡的懸臂梁位移測量裝置采用光學(xué)差動式角度傳感器，所述的角度測量裝置包括準直光源、會聚透鏡、1/4波片、偏光分光鏡、分光鏡、兩個臨界角棱鏡、兩個光電二極管、Z向跟蹤用微動驅(qū)動器、平面內(nèi)2維微動掃描器、探針夾持器和AFM探針；并且樣品臺及平面內(nèi)2維微動掃描器與AFM探針及Z向跟蹤用微動驅(qū)動器相分離，該距離可調(diào)。
本發(fā)明的優(yōu)點在于Z向跟蹤裝置與XY平面內(nèi)掃描裝置相分離，降低了對被測物體的大小、重量及掃描范圍等的要求或限制，被測物體可為十幾厘米×十幾厘米×幾厘米。


圖1為基于角度測量的AFM測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中1為Z向跟蹤用微動驅(qū)動器PZT，2為AFM探針夾持器，3為AFM探針，4為樣品臺，5為平面內(nèi)2維(XY)微動掃描平臺，6為集成了會聚透鏡的半導(dǎo)體激光器，7、9為光電二極管，8、10為臨界角棱鏡，11為集成了1/4波片的分光鏡，12為集成了1/4波片的偏光分光鏡。
具體實施例方式
基于角度測量的AFM測量方法，AFM探針在掃描過程中由于受力變化引起的懸臂梁尖端的角度變化，采用光學(xué)差動式角度測量裝置(圖1中虛線內(nèi)部)進行檢測，其過程是激光器6發(fā)出的可見光經(jīng)會聚透鏡后被偏光分光鏡12反射后經(jīng)1/4波片，入射到原子力顯微鏡的懸臂梁/AFM探針3反射面上，被AFM探針反射的激光攜帶懸臂梁的轉(zhuǎn)角變化信息進入該角度測量裝置；角度測量裝置固定在可調(diào)轉(zhuǎn)角平臺上，該平臺固定在系統(tǒng)基座上；在初始測力設(shè)定值時，可以認為角度測量裝置輸出信號為“零”；當掃描過程中測力發(fā)生變化時，懸臂梁的彎曲角度發(fā)生變化，反射光即相對于角度測量裝置的入射光，其入射角度也產(chǎn)生相應(yīng)的變化，該變化量為微懸臂梁角度變化量的一倍，使被測量得到放大。
由于采用差動測量方法，來自AFM探針的反射光被半透半反鏡11分成兩束光后，分別入射進兩個棱鏡8、10，當反射光的角度有偏擺時，兩個棱鏡的入射光的入射角分別增大/減小Δθ，反射率變化量也分別增大或減小，出射光的光強被光電二極管7、9檢測并轉(zhuǎn)換為光電流，兩路光電流信號經(jīng)過電流-電壓變換以及加法、減法和除法運算后，得到線性化處理后的角度變化量，即該變化量被角度測量裝置檢測并轉(zhuǎn)換成與角度變化值成比例的電信號。該電信號經(jīng)放大后再經(jīng)信號分析處理，得到由于測力變化而引起的懸臂梁的角度變化，進而得到探針的測力變化/物體表面形貌輪廓。
AFM在平面內(nèi)的掃描由水平面內(nèi)二維微動掃描平臺5在計算機控制下進行，樣品臺4與該掃描平臺結(jié)合在一起；AFM的Z向跟蹤部分由反饋控制電路驅(qū)動Z向跟蹤用微動驅(qū)動器1進行，探針經(jīng)探針夾持架2與Z向驅(qū)動器結(jié)合在一起，即Z向運動由單獨的驅(qū)動器進行，基于此結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了Z向與XY向運動的分離。
權(quán)利要求
1.基于角度測量的原子力顯微鏡測量裝置，其特征在于原子力顯微鏡的懸臂梁位移測量裝置采用光學(xué)差動式角度傳感器，所述的角度測量裝置包括準直光源、會聚透鏡、1/4波片、偏光分光鏡、分光鏡、兩個臨界角棱鏡、兩個光電二極管、Z向跟蹤用微動驅(qū)動器、平面內(nèi)2維微動掃描器、探針夾持器和AFM探針；并且樣品臺及平面內(nèi)2維微動掃描器與AFM探針及Z向跟蹤用微動驅(qū)動器相分離，該距離可調(diào)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于角度測量的原子力顯微鏡測量裝置，屬于原子力顯微鏡(AFM)的探針/懸臂梁信號的檢測系統(tǒng)及裝置。該裝置是在原子力顯微鏡的懸臂梁位移測量裝置上采用光學(xué)差動式角度傳感器，所述的角度測量裝置包括準直光源、會聚透鏡、1/4波片、偏光分光鏡、分光鏡、兩個臨界角棱鏡、兩個光電二極管、Z向跟蹤用微動驅(qū)動器、平面內(nèi)2維微動掃描器、探針夾持器和AFM探針；并且樣品臺及平面內(nèi)2維微動掃描器與AFM探針及Z向跟蹤用微動驅(qū)動器相分離，該距離可調(diào)。本發(fā)明的優(yōu)點在于Z向跟蹤裝置與XY平面內(nèi)掃描裝置相分離，降低了對被測物體的大小、重量及掃描范圍等的要求或限制，被測物體可為十幾厘米×十幾厘米×幾厘米。
文檔編號G01B21/20GK1632519SQ20041009405
公開日2005年6月29日 申請日期2004年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月28日
發(fā)明者劉慶綱, 李志剛, 李德春, 匡登峰, 王璐, 李敏 申請人:天津大學(xué)