專利名稱：基于pvdf的輕敲式高靈敏度spm測頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及納米測量裝置，更具體地說是一種可用于構(gòu)成掃描探針顯微系統(tǒng)測頭， 使系統(tǒng)實現(xiàn)納米微觀形貌測量中垂直方向上納米分辨力的反饋控制；可構(gòu)成微納米三坐標(biāo)測 量機的納米定位探頭，實現(xiàn)三坐標(biāo)測量機探頭的納米定位；可用于構(gòu)成掃描探針顯微系統(tǒng)以 實現(xiàn)對柔軟易碎試樣(如蛋白質(zhì)分子等生物材料表面)、具有陡峭臺階表面特征的試樣(如 半導(dǎo)體硅微器件、微機電設(shè)備等)進(jìn)行納米級分辨率的非破壞性微觀表面形貌測量；以及用 于構(gòu)成微納米三坐標(biāo)測量機探頭以實現(xiàn)微機電器件(MEMS)、微機械零件的測量。
背景技術(shù)：
近十年來，隨著微半導(dǎo)體器件、MEMS、納米器件等對表面微觀形貌測量的高精度要求， 以及DNA、蛋白質(zhì)分子等生物材料表面測量的非破壞性要求，要求測量儀器不僅具有納米 級的分辨率，還要具有盡可能小的測量力。
常用的觸針式輪廓儀是一種廣泛應(yīng)用于機械表面測量、簡單且可靠的精密測量儀器，其 測量范圍可達(dá)到數(shù)十毫米，但它的垂直分辨率只能達(dá)到數(shù)十納米，且測量過程中觸針與被測 表面連續(xù)接觸，橫向測力大，易給表面造成劃傷，不適合于軟材料及具有陡峭微觀結(jié)構(gòu)的表 面測量。共焦顯微鏡等光學(xué)測量系統(tǒng)，雖然具有非接觸測量的優(yōu)點，且其最高垂直分辨率接 近10納米的水平，但其橫向分辨率受聚焦光斑直徑的限制而無法提高，而且不適合于非反 光材料的測量。掃描隧道顯微鏡(STM)盡管具有亞納米的垂直分辨力和非接觸測量的優(yōu)點， 但由于測量電流受被測材料導(dǎo)電性的影響很大，不能直接應(yīng)用于絕緣材料和表面易氧化的材 料，且對測量環(huán)境的真空度也有很高的要求，因此其使用范圍收到了很大的限制。原子力顯 微鏡(AFM)雖然適合于各種材料、多種參數(shù)的測量，且具有亞納米級的垂直分辨率和nN級 的測量力，但所采用的探針多數(shù)為硅微懸臂型，其有效長度短、尖端曲率半徑大、圓錐角通 常在30。左右，不適合于大臺階微觀表面的測量，而且測頭中所用硅懸臂的控制需要采用光 杠桿法或光干涉法等附加位置檢測系統(tǒng)來實現(xiàn)，光學(xué)檢測系統(tǒng)所產(chǎn)生的泄漏光不僅影響半導(dǎo) 體器件電參數(shù)的測量，還可能給表面測量帶來干涉誤差。因此，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且難于實現(xiàn)調(diào)整和 檢測。因此，現(xiàn)有的表面形貌測量系統(tǒng)中不具有使用的普遍性。

實用新型內(nèi)容
本實用新型是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，提供一種基于PVDF的輕敲式高 靈敏度SPM測頭，以實現(xiàn)高空間分辨率、低測量力、適合各種材料、滿足亞毫米微觀高度 差的表面形貌的測量。本實用新型解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案
本實用新型基于PVDF的輕敲式高靈敏度SPM測頭的結(jié)構(gòu)特點是以PVDF壓電薄膜為振
動梁、以鎢探針為掃描探針；所述振動梁設(shè)置為具有彎曲弧度的簡支梁，振動梁的左右兩端
通過夾持結(jié)構(gòu)分別固定在相對設(shè)置的兩側(cè)壓電驅(qū)動器的前端，兩側(cè)壓電驅(qū)動器的后端分別固
定在各自的懸臂梁上，懸臂梁呈單端懸置設(shè)置在測頭架上；掃描探針固定設(shè)置在振動梁下表 面的中心位置上。
本實用新型基于PVDF的輕敲式高靈敏度SPM測頭的測量方法是在兩側(cè)壓電驅(qū)動器上 施加振幅和頻率可調(diào)的交流正弦電壓信號作為驅(qū)動信號，在驅(qū)動信號下，兩側(cè)壓電驅(qū)動器沿 水平方向產(chǎn)生往返位移，并通過振動梁使掃描探針沿垂直方向振動；調(diào)整驅(qū)動信號頻率，使 振動梁處于近共振狀態(tài)；掃描過程中，在掃描探針尚未接觸到試樣表面時，振動梁工作在近 共振狀態(tài)，產(chǎn)生自由振幅Ao，自由振幅Ao下的振動梁的輸出為自由振幅電荷量Co;對于掃
描探針在某一點上與試樣發(fā)生的瞬間接觸，振動梁產(chǎn)生衰減振幅 ，衰減振幅 下的振動 梁的輸出為衰減電荷量d，以振動梁輸出的電荷量的改變表征振動梁振幅度的變化，在被 測面上進(jìn)行多點微測力輕敲掃描實現(xiàn)對試樣表面的測量。
本實用新型中所采用的PVDF (Polyvinylidene Fluoride)壓電薄膜又名聚偏氟乙烯薄膜， 是由高分子壓電材料制成的壓電薄膜，具有優(yōu)良的壓電特性，沿垂直于極化面方向的電常數(shù) g3i可達(dá)0.26V.m/N。 PVDF壓電薄膜的密度在1.76 1.80g/crr^之間，輕薄柔軟，且具有一定 彈性，使用溫度為-40 150。C; SPM為掃描探針顯微鏡(Scanning Probe Microscope)。
本實用新型中掃描探頭是通過電化學(xué)研磨法獲得的大長徑比的鎢針尖。
本實用新型是以聚偏氟乙烯壓電薄膜PVDF代替輕敲模式原子力顯微鏡中的硅材料懸 臂，結(jié)合掃描隧道顯微鏡中的鎢探針構(gòu)成掃描探針測頭，在這一結(jié)構(gòu)中，具有壓電效應(yīng)的壓 電薄膜PVDF既作為類似原子力顯微鏡AFM中帶探針的微懸臂使用，又作為類似掃描力顯微 鏡SFM中的力敏傳感器以檢測微小力或位移的變化。將本實用新型測頭與原子力顯微鏡測量 系統(tǒng)相結(jié)合，可實現(xiàn)對各種材料構(gòu)成的試樣(如蛋白質(zhì)分子等生物材料表面)、具有陡峭臺 階表面特征的試樣(如半導(dǎo)體硅微器件、微機電設(shè)備等)等進(jìn)行納米分辨率的非破壞性微觀 表面形貌測量。
與已有技術(shù)相比，本實用新型有益效果體現(xiàn)在
1、本實用新型中以壓電驅(qū)動器勵振PVDF壓電薄膜振動梁，PVDF壓電薄膜振動梁既 作為固定掃描探針的懸臂，也作為檢測PVDF壓電薄膜振動梁振幅變化的傳感器，很好地避 免了繁雜的附加位置檢測裝置；2、 本實用新型測量過程時PVDF振動梁工作于諧振狀態(tài)，掃描探針與被測試樣的表面 瞬間接觸，測量力可降低至納牛(10—9牛頓)量級，可實現(xiàn)對易碎裂損傷的硅微器件和納米 器件的高精度測量，對于輕薄柔軟易破損的生物試樣的高精度非破壞性測量意義更為重大；
3、 本實用新型采用具有大長徑比、尖端圓錐角為1(T左右的鎢探針為掃描探針，因此
特別適合于軟材料表面和大臺階表面等的高精度、微測量力的測量。


圖1為本實用新型PVDF薄膜振動梁的原理圖。
圖2為實用新型結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為圖2的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中標(biāo)號l測頭架、2調(diào)節(jié)槽、3懸臂梁、4壓電驅(qū)動器、5左側(cè)壓電驅(qū)動器驅(qū)動線、 6振動梁、7掃描探針、8薄膜電荷信號引出線、9右側(cè)壓電驅(qū)動器驅(qū)動線、IO夾持結(jié)構(gòu)。 以下通過具體實施方式
，并結(jié)合附圖對本實用新型作進(jìn)一說明具體實施方式
-
參見圖l、圖2，本實例是以PVDF壓電薄膜為振動梁6、以鎢探針為掃描探針7;振動梁 6設(shè)置為具有彎曲弧度的簡支梁，振動梁6的左右兩端通過夾持結(jié)構(gòu)10分別固定在相對設(shè)置 的兩側(cè)壓電驅(qū)動器4的前端，兩側(cè)壓電驅(qū)動器4的后端分別固定在各自的懸臂梁3上，懸臂梁3 呈單端懸置設(shè)置在測頭架1上；掃描探針7固定設(shè)置在振動梁6下表面的中心位置上。
測量方法是在兩側(cè)壓電驅(qū)動器4上施加振幅和頻率可調(diào)的交流正弦電壓信號作為驅(qū)動 信號，在驅(qū)動信號下，兩側(cè)壓電驅(qū)動器4沿水平方向產(chǎn)生往返位移，并通過振動梁6使掃描 探針7沿垂直方向振動；調(diào)整驅(qū)動信號頻率，使振動梁6處于近共振狀態(tài)；掃描過程中，在 掃描探針7尚未接觸到試樣表面時，振動梁6工作在近共振狀態(tài)，產(chǎn)生自由振幅Ao，自由 振幅Ao下的振動梁6的輸出為自由振幅電荷量Co;對于掃描探針7在某一點上與試樣發(fā)生 的瞬間接觸，振動梁6產(chǎn)生衰減振幅A,，衰減振幅Ai下的振動梁的輸出為衰減電荷量Q， 以振動梁輸出的電荷量的改變表征振動梁振幅度的變化，在被測面上進(jìn)行多點微測力輕敲掃 描實現(xiàn)對試樣表面的測量。
圖2中所示的調(diào)節(jié)槽2可以用于調(diào)整兩側(cè)壓電驅(qū)動器4之間的距離，達(dá)到調(diào)整PVDF薄 膜振動梁所呈弧度大小的目的，左側(cè)壓電驅(qū)動器引線5和右側(cè)壓電驅(qū)動器引線9作為壓電驅(qū) 動器驅(qū)動信號的輸入引線，薄膜電荷信號引出線8作為電荷信號的引出端線。
關(guān)于測頭振動頻率層PVDF壓電薄膜構(gòu)成振動梁結(jié)構(gòu)，長度為/。當(dāng)兩端受到擠壓和抻拉的力F時就會產(chǎn)生沿
X方向的受迫振動。由相關(guān)分析得，這種兩端固定振動梁結(jié)構(gòu)的振動頻率可有下式表達(dá)
其中，A為PVDF壓電薄膜的橫截面積；F為加載在壓電薄膜左右兩端的作用力；/， b， /7
分別為壓電薄膜的長度、寬度和厚度；E為楊氏彈性模量，l為壓電薄膜的慣性矩。 而加載在壓電薄膜左右兩端作用力F可由下式表達(dá)
F =械//
那么，PVDF壓電薄膜構(gòu)成的振動梁結(jié)構(gòu)在沿X方向的振動頻率就可由下式近似的估算出:
由上可知，影響振動梁振動頻率的因素主要包括壓電薄膜的長度/、寬度b、厚度h
以 及慣性矩l，其他均為與材料有關(guān)的常數(shù)。因此，改變壓電薄膜的尺寸參數(shù)也就改變了振 動梁的振動頻率。
影響測頭性能的參數(shù)
衡量SPM測頭性能的兩個重要參數(shù)是測頭在垂直方向上所能達(dá)到的分辨率，以及測頭
在掃描試樣過程中對試樣表面的測量力。而表征這兩個性能指標(biāo)高低的參數(shù)主要是振臂彈性
常數(shù)k及品質(zhì)因數(shù)Q。
機械彈性常數(shù)k是指PVDF壓電薄膜振動梁6所受的力(也就是在輕敲模式下探針與 試樣表面瞬間接觸時的測量力)與在薄膜振動梁6上產(chǎn)生的彈性變形量的比值，單位為"牛 頓/米"。這一比值直接關(guān)系到測頭的靈敏度的高低、測量力的大小及所產(chǎn)生壓電信號電荷數(shù) 的多少。也就是說當(dāng)探針在測量時與表面瞬間接觸時，機械彈性常數(shù)k值越小，很小的測量 力就能使壓電薄膜振動梁6產(chǎn)生很大的變形，壓電薄膜也就能產(chǎn)生足夠的電荷量的變化用于 檢測，因此這樣的振動梁靈敏度很高，所需的測量力很小，電荷信號變化幅度大；反之，機 械彈性常數(shù)k值越大，需要很大的測量力才能使壓電薄膜振動梁6產(chǎn)生足夠的變形量，才能 產(chǎn)生足夠的電荷量的變化用于檢測，所構(gòu)成的振動梁靈敏度較低，且對試樣的測量力很大， 電荷信號的變化也不明顯。
品質(zhì)因數(shù)Q是反映系統(tǒng)動態(tài)性能的一個根本參數(shù)。在振動系統(tǒng)中，品質(zhì)因數(shù)Q的定義 如下式A￡ Aw △/
其中，E為振動系統(tǒng)的總能量；AE為振動系統(tǒng)振動一個周期損失的能量；fo為振幅達(dá) 到最大時的諧振頻率；而f,〈fo〈 f2， f! 、 f2分別為fo兩側(cè)0.707倍最大振幅處所對應(yīng)的振
動頻率值。這也就是說在一個振動系統(tǒng)中，品質(zhì)因數(shù)表征了系統(tǒng)振動一周期內(nèi)損失能量的多 少，系統(tǒng)阻尼的大小和振動峰值的高度。
對于上述測頭，品質(zhì)因數(shù)Q的大小主要影響以下三個方面性能即輕敲掃描過程中
PVDF薄膜振動梁6所能達(dá)到的共振幅值大?。惶结樑c表面發(fā)生瞬間接觸前后，振動梁6振 幅改變量的大??；振動梁6回復(fù)到穩(wěn)定振動狀態(tài)所需時間的長短。也就是品質(zhì)因數(shù)越高，相 同接觸力的情況下，薄膜振動梁6振幅的改變量越大，力靈敏度越高，但回復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)所 需的時間越長；反之，則振幅的改變量較小，力靈敏度較低，卻較易維持穩(wěn)定的振動狀態(tài)。
因此，為了使系統(tǒng)具有較高的分辨率和較小的測力，就要合理調(diào)整對Q和k產(chǎn)生影響
的各結(jié)構(gòu)參數(shù)。
確定好PVDF薄膜各結(jié)構(gòu)參數(shù)并架構(gòu)好整個系統(tǒng)后，就可以實際測試這一測頭結(jié)構(gòu)所能
達(dá)到的靈敏度。測試是通過以下方式實現(xiàn)控制納米位移臺沿垂直方向移動，以一定的步進(jìn)
量(如1nm)不斷向鉤探針7逼近，當(dāng)探針7在某一點上與納米位移臺發(fā)生瞬間接觸時， 薄膜振動梁6的振幅就會衰減。由于薄膜振幅的減小，PVDF壓電薄膜所產(chǎn)生的電荷量也會 相應(yīng)的減少，檢測電路的檢測出的電壓信號的幅值也會隨之減小。通過記錄下來的發(fā)生觸碰 時的步進(jìn)量以及電壓信號的減小量，就可以算得這一測頭結(jié)構(gòu)的靈敏度，其單位為V/pm。 靈敏度越高，表征著由這一測頭結(jié)構(gòu)所搭建的SPM掃描探針顯微鏡系統(tǒng)所能達(dá)到的垂直方 向的空間分辨率越高；反之，則所能達(dá)到的分辨率就較低。另外，靈敏度測試也可用來驗證 所選薄膜各參數(shù)是否恰當(dāng)。
實驗數(shù)據(jù)
在實驗測定中，通過改變PVDF薄膜振動梁6結(jié)構(gòu)參數(shù)如薄膜的長度I、寬度b和厚度 h以及振動梁6所呈弧度實測這種新型測頭所能達(dá)到的性能，振動梁6所呈的弧度可以通過 調(diào)節(jié)槽2調(diào)整兩側(cè)壓電驅(qū)動器4的之間的距離D來實現(xiàn)。
由實驗結(jié)果確定的壓電薄膜的結(jié)構(gòu)尺寸為N10mm， b=2.5mm， h^40pm，振動梁所 呈弧度在夾持結(jié)構(gòu)10間距Dz9.5mm時為最佳。測頭的品質(zhì)因數(shù)Q為24.3，彈性常數(shù)k為 35N/m。
其中，品質(zhì)因數(shù)Q要遠(yuǎn)低于AFM測頭的品質(zhì)因數(shù)(通常為數(shù)千)，這是與這一新型測頭的結(jié)構(gòu)及大氣下的工作環(huán)境有關(guān)，造成了振動系統(tǒng)的阻尼較大，系統(tǒng)振動損失的能量也大。 但在保證了足夠的靈敏度的情況下，較低的Q值卻能保證系統(tǒng)振動的穩(wěn)定，縮短回復(fù)穩(wěn)定狀
態(tài)的時間，這樣就可以提高掃描速度和工作效率；而振動梁的機械彈性常數(shù)k為35N/m，要 遠(yuǎn)小于硅微懸臂數(shù)百牛頓/米的彈性常數(shù)，也就提高了這一新型測頭的靈敏度，且對試樣表 面具有更輕微的測量力。
經(jīng)實驗測定，由此測頭構(gòu)成的掃描探針顯微系統(tǒng)，靈敏度為1.98V/|jm，自由振動的振 幅為150 200nm，垂直分辨率達(dá)1.6nm，掃描測量力為nN級。
權(quán)利要求1、基于PVDF的輕敲式高靈敏度SPM測頭，其特征是以PVDF壓電薄膜為振動梁(6)、以鎢探針為掃描探針(7)；所述振動梁(6)設(shè)置為具有彎曲弧度的簡支梁，振動梁(6)的左右兩端通過夾持結(jié)構(gòu)(10)分別固定在相對設(shè)置的兩側(cè)壓電驅(qū)動器(4)的前端，兩側(cè)壓電驅(qū)動器(4)的后端分別固定在各自的懸臂梁(3)上，懸臂梁(3)呈單端懸置設(shè)置在測頭架(1)上；所述掃描探針(7)固定設(shè)置在振動梁(6)下表面的中心位置上。
專利摘要基于PVDF的輕敲式高靈敏度SPM測頭，其特征是以PVDF壓電薄膜為振動梁、以鎢探針為掃描探針；振動梁設(shè)置為具有彎曲弧度的簡支梁，振動梁的左右兩端通過夾持結(jié)構(gòu)分別固定在相對設(shè)置的兩側(cè)壓電驅(qū)動器的前端，兩側(cè)壓電驅(qū)動器的后端分別固定在各自的懸臂梁上，懸臂梁呈單端懸置設(shè)置在測頭架上；掃描探針固定設(shè)置在振動梁下表面的中心位置上。本實用新型是以振動梁輸出的電荷量的改變表征振動梁由所受微測力而導(dǎo)致的振幅變化，在被測面上進(jìn)行多點微測力輕敲掃描實現(xiàn)對試樣表面的測量。本實用新型可以實現(xiàn)高空間分辨率、低測量力，適合各種材料，并且可以在空氣環(huán)境中進(jìn)行測量。
文檔編號G01N13/10GK201266162SQ20082016009
公開日2009年7月1日 申請日期2008年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月26日
發(fā)明者侯茂盛, 瑜 張, 楊朋楨, 濤 羅, 黃強先 申請人:合肥工業(yè)大學(xué)