專利名稱:Spiral type scanning method for scanning detecting probe microscope的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于掃描探針顯微鏡的螺旋式掃描方法。
背景技術(shù)：
隨著基于金剛石刀具的超精密加工技術(shù)的不斷發(fā)展以及以微機(jī)電系統(tǒng) (Micro-electromechanical Systems, MEMS)為代表的微細(xì)加工技術(shù)的不斷進(jìn)步，具 有特殊功能的三維微結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn)，例如高深-寬比微細(xì)結(jié)構(gòu)(High AspectRatio Microstructures, HARMS)是 MEMS 和 Microsystems 中最具代表性的特征之一，HARMS 結(jié)構(gòu) 可以使得MEMS及Microsystems的多項性能指標(biāo)，如驅(qū)動力、工作頻率范圍、靈敏度和位移 量得到很大提高；同時，HARMS結(jié)構(gòu)也是平面光柵、復(fù)雜非球曲面等現(xiàn)代精密零部件中不可 缺少的重要組成部分，在航空、航天、電子、化工、生物、醫(yī)療等許多領(lǐng)域扮演著重要角色，有 著廣闊的應(yīng)用前景。上述三維微結(jié)構(gòu)的形狀將直接影響相關(guān)器件的性能，因此對其進(jìn)行超 精密測量非常必要。多年來，研究人員探索出了多種測量方法，比如利用光學(xué)手段的非接觸 測量方法，但該方法在測量精度方面遠(yuǎn)未達(dá)到實際需求。
SPM技術(shù)在測量精度方面要大大領(lǐng)先利用光學(xué)手段的非接觸測量方法。就測量表 面形貌而言，應(yīng)用最廣泛的是掃描隧道顯微鏡(Scanning TunnelingMicroscope, STM)和原 子力顯微鏡(Atomic Force Microscope，AFM)，前者基于量子電流隧道效應(yīng)，后者是基于原 子之間的相互作用力。STM/AFM的縱向分辨率可達(dá)0. 001 0. Olnm,橫向分辨率也可達(dá)lnm， 然而二者橫向測量長度一般在幾微米或幾十微米量級。傳統(tǒng)的STM/AFM都是采用高精度壓 電驅(qū)動(Piezoactuator)的掃描模式，無法實施高速掃描，也使它們的使用范圍僅限于實 驗室內(nèi)的微納形貌和幾何量測量的限制，無法應(yīng)用到加工現(xiàn)場，更不能實現(xiàn)On-machine測 量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了避免傳統(tǒng)的掃描探針顯微鏡(SPM)無法對微納三維結(jié)構(gòu)實 施高速、大面積掃描，提供一種用于掃描探針顯微鏡的螺旋式掃描方法。
用于掃描探針顯微鏡的螺旋式掃描方法是將旋轉(zhuǎn)編碼器安裝在旋轉(zhuǎn)空氣軸承上， 待測工件安裝在旋轉(zhuǎn)空氣軸承上，在氣浮導(dǎo)軌上安裝有線性編碼器和與待測工件相配合的 SPM測量頭，當(dāng)工作時，旋轉(zhuǎn)空氣軸承高速旋轉(zhuǎn)，從旋轉(zhuǎn)編碼器獲得旋轉(zhuǎn)的角度，氣浮導(dǎo)軌沿 著待測工件的徑向運動，從線性編碼器獲得氣浮導(dǎo)軌的位移，旋轉(zhuǎn)空氣軸承和氣浮導(dǎo)軌從 而構(gòu)成掃描模塊，利用DSP綜合控制系統(tǒng)模塊驅(qū)動SPM測量頭獲得待測工件表面的高度信 息，再利用高速數(shù)據(jù)采集與處理模塊將SPM測量頭和掃描模塊關(guān)聯(lián)在同一個坐標(biāo)系中，實 現(xiàn)掃描頻率和形貌測量速度匹配、極坐標(biāo)和直角坐標(biāo)之間的數(shù)據(jù)快速實時轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn) 微納結(jié)構(gòu)三維形貌的高速、大面積超精密測量。
本發(fā)明與傳統(tǒng)的SPM測量技術(shù)中的掃描方法相比具有顯著的優(yōu)勢是避免了傳統(tǒng) 的SPM測量技術(shù)由于其壓電掃描模塊的速度低、測量面積小等問題，利用本發(fā)明的新型掃描方法和裝置可以大大方便測量，可以在保證測量精度的同時，兼顧高速性和大面積測量 能力，從而徹底解決傳統(tǒng)SPM測量速度慢、測量范圍小等瓶頸問題，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建一種 能夠?qū)崿F(xiàn)對微納結(jié)構(gòu)三維形貌的快速、大面積掃描，開發(fā)工業(yè)級的掃描探針顯微鏡(SPM)。


圖1是用于掃描探針顯微鏡的螺旋式掃描方法原理框圖；
圖2是本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)圖；
圖3是掃描方法和極坐標(biāo)、直角坐標(biāo)變換的示意圖；
圖中旋轉(zhuǎn)編碼器1、旋轉(zhuǎn)空氣軸承2、待測工件3、SPM測量頭4、線性編碼器5、氣 浮導(dǎo)軌6。
具體實施方式
如圖1、2所示，用于掃描探針顯微鏡的螺旋式掃描方法是將旋轉(zhuǎn)編碼器1安裝在 旋轉(zhuǎn)空氣軸承2上，待測工件3安裝在旋轉(zhuǎn)空氣軸承2上，在氣浮導(dǎo)軌6上安裝有線性編碼 器5和與待測工件3相配合的SPM測量頭4，當(dāng)工作時，旋轉(zhuǎn)空氣軸承高速旋轉(zhuǎn)，從旋轉(zhuǎn)編碼 器獲得旋轉(zhuǎn)的角度，氣浮導(dǎo)軌沿著待測工件的徑向運動，從線性編碼器獲得氣浮導(dǎo)軌的位 移，旋轉(zhuǎn)空氣軸承和氣浮導(dǎo)軌從而構(gòu)成掃描模塊，利用DSP綜合控制系統(tǒng)模塊驅(qū)動SPM測量 頭獲得待測工件表面的高度信息，再利用高速數(shù)據(jù)采集與處理模塊將SPM測量頭和掃描模 塊關(guān)聯(lián)在同一個坐標(biāo)系中，實現(xiàn)掃描頻率和形貌測量速度匹配、極坐標(biāo)和直角坐標(biāo)之間的 數(shù)據(jù)快速實時轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)三維形貌的高速、大面積超精密測量。
所述的DSP綜合控制系統(tǒng)模塊采用TMS320FA2812芯片。旋轉(zhuǎn)編碼器(HEIDENHAIN RCN 226)、線性編碼器(HEIDENHAIN LIP 382)、SPM測量頭(PI P-840. 40壓電陶瓷、自制夾 持裝置等)
在圖2中，待測微納結(jié)構(gòu)3被真空吸盤吸附在旋轉(zhuǎn)空氣軸承2上，氣浮導(dǎo)軌6上安 裝SPM測量頭4，然后移動SPM測量頭4對準(zhǔn)到旋轉(zhuǎn)空氣軸承2的中心點上，然后將旋轉(zhuǎn)空 氣軸承2的回轉(zhuǎn)運動和氣浮導(dǎo)軌6的直線運動同步起來，保證對待測微納結(jié)構(gòu)3的測量在 螺旋模式下進(jìn)行。
當(dāng)氣浮導(dǎo)軌6在SPM測量頭4對準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)空氣軸承2的中心點上時開始移動，SPM測 量頭4探針尖端在XY平面上的極坐標(biāo)和直角坐標(biāo)可用如下方程表示
Fi
(η,θ/)=( ——,2π— )i = o,i,..., N-i(i)
PT ρ
(Xi, Yi) = (riC0S θ TiSin θ j) i = 0，1，· · ·，N_1 (2)
如圖3所示，在方程⑴中，F(xiàn)是氣浮導(dǎo)軌6的進(jìn)給速率，P是旋轉(zhuǎn)編碼器1每轉(zhuǎn)的 脈沖個數(shù)，T是旋轉(zhuǎn)空氣軸承2的旋轉(zhuǎn)速度，i是旋轉(zhuǎn)編碼器1的轉(zhuǎn)數(shù)，N是整個測量過程中 總的脈沖數(shù)，而旋轉(zhuǎn)編碼器1的脈沖作為與個人計算機(jī)相連接的數(shù)據(jù)采集板的外觸發(fā)器信 號，在該脈沖信號的作用下，系統(tǒng)采集編碼器1的輸出量θ ρ和與氣浮導(dǎo)軌6相關(guān)聯(lián)的線性 編碼器5的輸出量
由方程(1)得到參量ri; θ y從而再由方程⑵得到X-Y平面參量Xi，yi。[0019]參量Zi的值由與SPM測量頭4相關(guān)聯(lián)的線性編碼器輸出，它采用傳統(tǒng)的伺服控制 策略，并且與X-Y平面的掃描同步。
系統(tǒng)將參量θ ^ri和Zi采集進(jìn)計算機(jī)，經(jīng)過計算機(jī)的計算和轉(zhuǎn)換后得到直角坐標(biāo) 系下的三維坐標(biāo)參數(shù)，利用自己開發(fā)的3D圖形生成軟件實時繪制出待測微納部件的三維 表面形貌圖，從而構(gòu)建出微納結(jié)構(gòu)的三維形貌。
利用新的掃描方法和裝置，可以在保證測量精度的同時，兼顧高速性和大面積測 量能力，從而徹底解決傳統(tǒng)SPM測量速度慢、測量范圍小等瓶頸問題。新掃描方法中，旋轉(zhuǎn)空氣軸承負(fù)責(zé)跟蹤并記錄掃描的角度，而氣浮導(dǎo)軌負(fù)責(zé)跟蹤 并記錄掃描的徑向距離，待測工件吸附在空氣軸承上連續(xù)旋轉(zhuǎn)，氣浮導(dǎo)軌驅(qū)動探針沿徑向 掃描實施微納結(jié)構(gòu)三維形貌的高速、大面積超精密測量，其中氣浮導(dǎo)軌驅(qū)動的徑向掃描的 初始點和旋轉(zhuǎn)空氣軸承的中心點重合。
采用DSP綜合控制系統(tǒng)模塊驅(qū)動SPM測量頭，逐點測量微納三維結(jié)構(gòu)的三維形貌。 在DSP綜合控制系統(tǒng)模塊的統(tǒng)一控制下，配合螺旋式掃描模塊的運動，從而得到微納結(jié)構(gòu) 的三維參數(shù)，從而為構(gòu)建微納結(jié)構(gòu)三維形貌作好數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。
利用DSP綜合控制系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)將SPM測量頭和螺旋式掃描模 塊關(guān)聯(lián)起來實現(xiàn)表面三維形貌的高速、大面積超精密測量。根據(jù)掃描頻率和SPM形貌測量 速度匹配的原則，得到高速SPM在操作過程中的動態(tài)耦合以及系統(tǒng)綜合控制策略，高速數(shù) 據(jù)采集與處理系統(tǒng)從SPM測量頭和螺旋式掃描模塊得到實時的測量參數(shù)，然后進(jìn)行極坐標(biāo) 和直角坐標(biāo)之間的數(shù)據(jù)高速實時轉(zhuǎn)換，利用自己開發(fā)的3D圖形生成軟件實時繪制出待測 微納部件的三維表面形貌圖，從而構(gòu)建出微納結(jié)構(gòu)的三維形貌。
權(quán)利要求
一種用于掃描探針顯微鏡的螺旋式掃描方法，其特征在于將旋轉(zhuǎn)編碼器(1)安裝在旋轉(zhuǎn)空氣軸承(2)上，待測工件(3)安裝在旋轉(zhuǎn)空氣軸承(2)上，在氣浮導(dǎo)軌(6)上安裝有線性編碼器(5)和與待測工件(3)相配合的SPM測量頭(4)，移動SPM測量頭(4)對準(zhǔn)到旋轉(zhuǎn)空氣軸承(2)的中心點上，當(dāng)工作時，旋轉(zhuǎn)空氣軸承高速旋轉(zhuǎn)，從旋轉(zhuǎn)編碼器獲得旋轉(zhuǎn)的角度，氣浮導(dǎo)軌沿著待測工件的徑向運動，從線性編碼器獲得氣浮導(dǎo)軌的位移，旋轉(zhuǎn)空氣軸承和氣浮導(dǎo)軌從而構(gòu)成掃描模塊，利用DSP綜合控制系統(tǒng)模塊驅(qū)動SPM測量頭獲得待測工件表面的高度信息，再利用高速數(shù)據(jù)采集與處理模塊將SPM測量頭和掃描模塊關(guān)聯(lián)在同一個坐標(biāo)系中，實現(xiàn)掃描頻率和形貌測量速度匹配、極坐標(biāo)和直角坐標(biāo)之間的數(shù)據(jù)快速實時轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)三維形貌的高速、大面積超精密測量。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的一種用于掃描探針顯微鏡的螺旋式掃描方法，其特征在于所 述的DSP綜合控制系統(tǒng)模塊采用TMS320FA2812芯片。
專利摘要

文檔編號G01Q10/00GKCN101308079 B發(fā)布類型授權(quán) 專利申請?zhí)朇N 200810062982
公開日2010年9月8日 申請日期2008年7月17日
發(fā)明者Ju Bingfeng, Fu Mingming, Jin Weifeng 申請人:Univ Zhejiang導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan