一種大范圍原子力顯微鏡掃描定位系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種大范圍原子力顯微鏡掃描定位系統(tǒng)。本發(fā)明中的被觀測(cè)樣品置于立方鏡載物臺(tái)的中心，AFM7自帶的Z向掃描器完成Z軸方向控制運(yùn)動(dòng)并實(shí)現(xiàn)原子力反饋；立方鏡載物臺(tái)的位移測(cè)量采用X軸外差激光干涉儀和Y軸外差激光干涉儀；XY平面掃描器的運(yùn)動(dòng)與AFM的同步采集采用同步脈沖觸發(fā)器，同步掃描觸發(fā)器的脈沖信號(hào)來(lái)自XY平面掃描器的編碼器和高頻相移電路；XY平面掃描器每次動(dòng)作時(shí)，同步脈沖觸發(fā)器通過(guò)計(jì)算機(jī)向AFM的數(shù)據(jù)采集卡發(fā)送中斷脈沖，用于采集Z軸位置信號(hào)。本發(fā)明壓電陶瓷采用鎖相環(huán)回路步進(jìn)驅(qū)動(dòng)，從測(cè)量和驅(qū)動(dòng)方法上克服了壓電陶瓷自身非線性和蠕變等機(jī)械缺陷，從而解決了AFM掃描圖像畸變的問(wèn)題。
【專利說(shuō)明】
一種大范圍原子力顯微鏡掃描定位系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及顯微設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種大范圍原子力顯微鏡(AFM)掃描 定位系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 原子力顯微鏡(AFM)具有空間分辨率高、不受樣品導(dǎo)電性限制、可同時(shí)支持在大氣 與液相環(huán)境中觀測(cè)樣品，從而使其廣泛應(yīng)用于化學(xué)、材料、物理、生物等納米相關(guān)科學(xué)領(lǐng)域 等特點(diǎn)。但現(xiàn)有商用AFM的主要局限在于一是掃描范圍比較小，一般在幾百納米到數(shù)個(gè)微米 的尺寸內(nèi)；二是掃描速度較慢，成像效率低。當(dāng)今的相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)AFM的性能提出了更高 的要求，如生物技術(shù)中針對(duì)生命活動(dòng)的在位成像，半導(dǎo)體行業(yè)中實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體材料樣品結(jié)構(gòu) 的測(cè)量，都需要百微米級(jí)甚至是毫米級(jí)大范圍尺寸高速成像。開(kāi)發(fā)大掃描范圍的高速AFM是 各國(guó)爭(zhēng)相研究的熱點(diǎn)。
[0003] 目前，國(guó)內(nèi)外的大行程(毫米級(jí)量程)納米精度掃描定位系統(tǒng)均已實(shí)現(xiàn)毫米行程的 納米精度定位，但局限性主要在于掃描速率低，圖像的可再現(xiàn)性差。并且，現(xiàn)有的毫米行程 掃描定位系統(tǒng)多采用宏微二級(jí)定位，宏運(yùn)動(dòng)采用伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)大行程高速運(yùn) 動(dòng)，微運(yùn)動(dòng)采用壓電陶瓷致動(dòng)器。申請(qǐng)公布號(hào)CN103941044A公布了一種原子力顯微鏡跨尺 度高精度進(jìn)樣機(jī)構(gòu)，采用絲杠螺母結(jié)構(gòu)和壓電陶瓷相結(jié)合，可在微米測(cè)量范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)亞微 米的定位精度。申請(qǐng)公布號(hào)CN102788889A公布了一種原子力顯微鏡的進(jìn)針?lè)椒?，采用步進(jìn) 電機(jī)的粗運(yùn)動(dòng)和壓電陶瓷的細(xì)運(yùn)動(dòng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)快速無(wú)損進(jìn)針?，F(xiàn)有AFM的主要問(wèn)題有:一 是壓電陶瓷的遲滯、非線性等機(jī)械缺陷影響了定位運(yùn)動(dòng)的重復(fù)性精度。如果不加補(bǔ)償，現(xiàn)有 的定位掃描平臺(tái)很難突破l〇〇nm的定位精度極限。二是系統(tǒng)復(fù)雜，宏微切換控制難度大，整 體系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能不理想，帶寬低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種大范圍原子力顯微鏡掃描定位 系統(tǒng)。
[0005] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：
[0006] 本發(fā)明由XY平面掃描器、立方鏡載物臺(tái)，X軸外差激光干涉儀、Y軸外差激光干涉 儀、AFM針尖、AFM、高頻相移電路、同步脈沖觸發(fā)控制器、計(jì)算機(jī)組成。
[0007] 上述各部分的連接關(guān)系如下：
[0008] 被觀測(cè)樣品置于立方鏡載物臺(tái)的中心，AFM自帶的Z向掃描器完成Z軸方向控制運(yùn) 動(dòng)并實(shí)現(xiàn)原子力反饋。立方鏡的位移測(cè)量采用X軸外差激光干涉儀和Y軸外差激光干涉儀。 XY平面掃描器的運(yùn)動(dòng)與AFM的同步采集采用同步脈沖觸發(fā)器，同步掃描觸發(fā)器的脈沖信號(hào) 來(lái)自X軸機(jī)械運(yùn)動(dòng)臺(tái)和Y軸機(jī)械運(yùn)動(dòng)臺(tái)的編碼器和高頻相移電路。XY平面掃描器每次動(dòng)作 時(shí)，同步脈沖觸發(fā)器通過(guò)PC機(jī)向AFM的數(shù)據(jù)采集卡發(fā)送中斷脈沖，用于采集Z軸位置信號(hào)。
[0009] 所述的XY平面掃描器由X軸機(jī)械運(yùn)動(dòng)臺(tái)、Y軸機(jī)械運(yùn)動(dòng)臺(tái)、調(diào)節(jié)架、XY壓電陶瓷組 成。X軸機(jī)械運(yùn)動(dòng)臺(tái)正交疊加在Y軸機(jī)械運(yùn)動(dòng)臺(tái)上，構(gòu)成宏動(dòng)臺(tái)，XY壓電陶瓷通過(guò)調(diào)節(jié)架固定 在X軸機(jī)械運(yùn)動(dòng)臺(tái)上，立方鏡載物臺(tái)安裝于XY壓電陶瓷上。
[0010] 所述的壓電陶瓷采用鎖相回路步進(jìn)驅(qū)動(dòng)，該鎖相回路由激光外差干涉儀、壓電陶 瓷、高頻相移電路、伺服系統(tǒng)構(gòu)成，借助于多普勒效應(yīng)，壓電陶瓷被步進(jìn)驅(qū)動(dòng)且步長(zhǎng)值可控。
[0011] 所述的XY平面掃描器采用宏微雙伺服環(huán)控制。運(yùn)動(dòng)控制模式有兩種:一是自由模 式，即宏動(dòng)臺(tái)與壓電陶瓷伺服環(huán)獨(dú)立閉環(huán)控制，大行程位移由宏動(dòng)臺(tái)完成而壓電陶瓷不執(zhí) 行，當(dāng)靠近目標(biāo)時(shí)(依據(jù)所選取的閾值），壓電陶瓷動(dòng)作，壓電陶瓷執(zhí)行納米步長(zhǎng)的步進(jìn)位移 逐步逼近目標(biāo)。這樣，壓電陶瓷僅在目標(biāo)位置補(bǔ)償了宏動(dòng)臺(tái)的位移缺陷。該位置控制模式適 用于點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)。二是軌跡跟蹤模式，在該模式下，所有的執(zhí)行器同時(shí)動(dòng)作。在整個(gè)位移過(guò)程 中，高頻相移電路不斷產(chǎn)生相移信號(hào)，即壓電陶瓷始終執(zhí)行納米步長(zhǎng)位移來(lái)補(bǔ)償宏動(dòng)臺(tái)的 缺陷直至到達(dá)目標(biāo)位置。這種位置控制方法適用于連續(xù)運(yùn)動(dòng)。
[0012] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：
[0013] 1.本發(fā)明提出了一種新的AFM毫米行程XY平面掃描器，掃描器采用X軸和Y軸宏動(dòng) 臺(tái)疊加，微動(dòng)臺(tái)置于X軸、Y軸的中心點(diǎn)，以及宏微機(jī)構(gòu)間設(shè)置多自由度機(jī)械調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 克服了常見(jiàn)大行程運(yùn)動(dòng)臺(tái)受阿貝誤差的影響較大的缺點(diǎn)；構(gòu)建的AFM掃描定位系統(tǒng)X、Y向的 掃描與AFM Z向的反饋控制分離開(kāi)來(lái)，避免了AFM掃描過(guò)程產(chǎn)生的XY平面與Z向的非線性交 叉耦合誤差。
[0014] 2.壓電陶瓷采用鎖相環(huán)回路步進(jìn)驅(qū)動(dòng)，從測(cè)量和驅(qū)動(dòng)方法上克服了壓電陶瓷自身 非線性和蠕變等機(jī)械缺陷，從而解決了AFM掃描圖像畸變的問(wèn)題；
[0015] 3.本發(fā)明采用以高頻信號(hào)電路驅(qū)動(dòng)的高頻響壓電陶瓷去補(bǔ)償宏動(dòng)臺(tái)的誤差，提高 了定位速度，避免了常用宏微二級(jí)控制的復(fù)雜算法導(dǎo)致的定位速度下降。
【附圖說(shuō)明】
[0016] 圖1是本發(fā)明的掃描定位系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017] 圖2是本發(fā)明的XY平面掃描器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018] 圖3是本發(fā)明的XY平面掃描器運(yùn)動(dòng)控制原理框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。
[0020] 針對(duì)壓電陶瓷存在遲滯、蠕變和位移非線性等不足的特點(diǎn)，本發(fā)明采用鎖相回路 步進(jìn)驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷，由于測(cè)量與控制的均是光電相移信號(hào)，定位精度不受壓電陶瓷遲滯、蠕 變和位移非線性等機(jī)械缺陷的影響。針對(duì)宏、微定位系統(tǒng)的復(fù)雜控制，本發(fā)明一是擬采用閾 值設(shè)定法，用軟件完成宏微切換，實(shí)現(xiàn)兩點(diǎn)或多點(diǎn)間的掃描定位;二是宏動(dòng)臺(tái)、微動(dòng)臺(tái)用同 步脈沖觸發(fā)方式實(shí)現(xiàn)宏微聯(lián)動(dòng)，以納米級(jí)步長(zhǎng)值驅(qū)動(dòng)的壓電陶瓷來(lái)實(shí)施補(bǔ)償宏動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng) 誤差。兩種定位方法的運(yùn)用可滿足于多程、多軌跡掃描定位的需求。
[0021] 本發(fā)明的掃描定位系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，包括由XY平面掃描器1、立方 鏡載物臺(tái)2，X軸外差激光干涉儀4、Y軸外差激光干涉儀5、AFM針尖6、AFM7、高頻相移電路8、 同步脈沖觸發(fā)控制器9、計(jì)算機(jī)10。被觀測(cè)樣品4置于立方鏡載物臺(tái)的中心，XY平面掃描器帶 動(dòng)被檢樣品的XY平面運(yùn)動(dòng)，AFM自帶的Z向掃描器完成Z軸方向控制運(yùn)動(dòng)并實(shí)現(xiàn)原子力反饋。 XY平面掃描器的位移測(cè)量采用穩(wěn)頻激光雙程外差干涉儀，分為X軸干涉儀和Y軸干涉儀。平 面掃描器的運(yùn)動(dòng)與AFM的同步采集采用同步脈沖觸發(fā)控制器。同步脈沖觸發(fā)控制器的脈沖 信號(hào)來(lái)自XY平面掃描器的直線電機(jī)光編碼器和高頻相移電路。平面掃描器每次動(dòng)作時(shí)，同 步脈沖觸發(fā)控制器通過(guò)PC機(jī)向AFM的數(shù)據(jù)采集卡發(fā)送中斷脈沖，以用于采集Z軸位置信號(hào)。
[0022]本發(fā)明的XY平面掃描器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，XY平面掃描器擬用宏微二級(jí)結(jié)構(gòu)，宏動(dòng) 臺(tái)由X軸機(jī)械運(yùn)動(dòng)臺(tái)1-2和和Y軸機(jī)械運(yùn)動(dòng)臺(tái)1-1組成，X軸機(jī)械運(yùn)動(dòng)臺(tái)和和Y軸機(jī)械運(yùn)動(dòng)臺(tái)互 相正交。微動(dòng)臺(tái)采用平面壓電陶瓷1-6,壓電陶瓷在15wii的行程上具有亞納米精度的分辨 率，兩軸的最高截止頻率均為2.5KHz。立方鏡載物臺(tái)安裝于壓電陶瓷上。兩個(gè)傾斜度可調(diào)的 機(jī)械調(diào)節(jié)架1 -3、1 -4和可旋轉(zhuǎn)支架1 -5固定于X軸機(jī)械運(yùn)動(dòng)臺(tái)上，調(diào)整機(jī)械調(diào)節(jié)架1 -3、1 -4和 可旋轉(zhuǎn)支架1-5使干涉儀測(cè)量光軸、直線電機(jī)機(jī)械軸、壓電陶瓷機(jī)械軸精密對(duì)齊（按 N.Boroff的納米干涉測(cè)量要求，角度誤差不確定度應(yīng)低于5弧度秒），其目的是使定位過(guò)程 中俯仰角、滾擺角及搖擺角對(duì)測(cè)量精度的影響最小化。本發(fā)明所述的X軸機(jī)械運(yùn)動(dòng)臺(tái)和Y軸 機(jī)械的剩余直線度可通過(guò)閉環(huán)鎖定控制的XY平面壓電陶瓷來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。運(yùn)動(dòng)臺(tái)為商用氣浮 靜壓導(dǎo)軌，由直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，X軸機(jī)械運(yùn)動(dòng)臺(tái)和Y軸機(jī)械運(yùn)動(dòng)臺(tái)自帶PID反饋控制，內(nèi)置分辨 率為5nm的直線電機(jī)編碼器，最大行程為50mm，最大位移速度為300mm/s，直線性和平面度為 0?5um〇
[0023]本發(fā)明的XY平面掃描器運(yùn)動(dòng)控制原理框圖如圖3所示。XY平面掃描器的宏微控制 為雙伺服環(huán)控制，包括直線電機(jī)宏動(dòng)臺(tái)伺服環(huán)和壓電陶瓷微動(dòng)臺(tái)伺服環(huán)，大行程位移采用 兩種位置控制方法:一是自由模式，即宏動(dòng)臺(tái)與壓電陶瓷伺服環(huán)獨(dú)立閉環(huán)控制，大行程位移 由宏動(dòng)臺(tái)完成而壓電陶瓷不執(zhí)行，當(dāng)靠近目標(biāo)時(shí)(依據(jù)所選取的閾值），壓電陶瓷動(dòng)作，壓電 陶瓷執(zhí)行納米步長(zhǎng)的步進(jìn)位移逐步逼近目標(biāo)。這樣，壓電陶瓷僅在目標(biāo)位置補(bǔ)償了宏動(dòng)臺(tái) 的位移缺陷。該位置控制方法適用于點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)。二是軌跡跟蹤模式，在該模式下，所有的執(zhí) 行器同時(shí)動(dòng)作。在整個(gè)位移過(guò)程中，高頻相移電路不斷產(chǎn)生相移信號(hào)，即壓電陶瓷始終執(zhí)行 納米步長(zhǎng)位移來(lái)補(bǔ)償宏動(dòng)臺(tái)的缺陷直至到達(dá)目標(biāo)位置。這種位置控制方法適用于連續(xù)運(yùn) 動(dòng)。本發(fā)明所述的宏動(dòng)臺(tái)由X軸機(jī)械運(yùn)動(dòng)臺(tái)和Y軸機(jī)械運(yùn)動(dòng)臺(tái)組成。
[0024]本發(fā)明的壓電陶瓷采用鎖相環(huán)電路步進(jìn)驅(qū)動(dòng)。以X軸向運(yùn)動(dòng)為例，X軸干涉儀、壓電 陶瓷、高頻相移電路、X軸伺服系統(tǒng)11-2構(gòu)成鎖相回路，借助于多普勒效應(yīng)，壓電陶瓷被步進(jìn) 驅(qū)動(dòng)，步長(zhǎng)值為：
[0026]公式(1)中A為激光波長(zhǎng)，為高頻相移電路產(chǎn)生的相移量值。
[0027]由此，壓電陶瓷步長(zhǎng)值可控。Y軸向運(yùn)動(dòng)原理與X軸向相同，Y軸干涉儀、壓電陶瓷、 高頻相移電路、X軸伺服系統(tǒng)11-1構(gòu)成鎖相回路。由此，壓電陶瓷可以在XY平面以量化的步 長(zhǎng)值步進(jìn)驅(qū)動(dòng)。本發(fā)明所述的高頻相移電路能產(chǎn)生與干涉儀同頻率的相移信號(hào)。
[0028]不同于傳統(tǒng)的之字形軌跡掃描模式，基于本發(fā)明的原子力顯微鏡可采用的掃描模 式主要有:A)線線模式，該模式下宏動(dòng)臺(tái)做毫米行程運(yùn)動(dòng)，壓電陶瓷只對(duì)該電機(jī)運(yùn)動(dòng)的直線 度進(jìn)行修正，而對(duì)宏動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向的位移誤差不做補(bǔ)償。如起始位置位于XY平面的(0:0)位 置，X軸機(jī)械運(yùn)動(dòng)臺(tái)沿著X軸向運(yùn)動(dòng)，此時(shí)壓電陶瓷只補(bǔ)償Y軸向的直線度，不做X軸向運(yùn)動(dòng)的 位置精密補(bǔ)償。當(dāng)一行完成時(shí)，定位系統(tǒng)將樣品臺(tái)置于與前一行平行的第二行，如此往返， 直到覆蓋整個(gè)圖像掃描區(qū)域?yàn)橹埂)矩陣模式，在該模式下，首先由宏動(dòng)臺(tái)完成微米行程上 的初始矩陣掃描，一旦首次掃描完成，壓電陶瓷動(dòng)作將樣品放置于緊鄰初次圖像的起始位 置，宏動(dòng)臺(tái)完成幾次相鄰矩陣的掃描直到掃描結(jié)束;C)軌跡追蹤模式，在該模式下，宏動(dòng)臺(tái) 執(zhí)行長(zhǎng)行程的過(guò)程中，壓電陶瓷在X軸和Y軸始終執(zhí)行納米級(jí)步長(zhǎng)來(lái)補(bǔ)償宏動(dòng)臺(tái)的缺陷。這 樣，X軸和Y軸上的位移精度和直線度同時(shí)得到了保證。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種大范圍原子力顯微鏡掃描定位系統(tǒng)，其特征在于該掃描定位系統(tǒng)由XY平面掃描 器、立方鏡載物臺(tái)，X軸外差激光干涉儀、Υ軸外差激光干涉儀、AFM針尖、AFM、高頻相移電路、 同步脈沖觸發(fā)控制器、計(jì)算機(jī)組成； 被觀測(cè)樣品置于立方鏡載物臺(tái)的中心，AFM自帶的Ζ向掃描器完成Ζ軸方向控制運(yùn)動(dòng)并 實(shí)現(xiàn)原子力反饋;立方鏡載物臺(tái)的位移測(cè)量采用X軸外差激光干涉儀和Υ軸外差激光干涉 儀;ΧΥ平面掃描器的運(yùn)動(dòng)與AFM的同步采集采用同步脈沖觸發(fā)器，同步掃描觸發(fā)器的脈沖信 號(hào)來(lái)自ΧΥ平面掃描器的編碼器和高頻相移電路;ΧΥ平面掃描器每次動(dòng)作時(shí)，同步脈沖觸發(fā) 器通過(guò)計(jì)算機(jī)向AFM的數(shù)據(jù)采集卡發(fā)送中斷脈沖，用于采集Ζ軸位置信號(hào)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大范圍原子力顯微鏡掃描定位系統(tǒng)，其特征在于:所述的 ΧΥ平面掃描器由X軸機(jī)械運(yùn)動(dòng)臺(tái)、Υ軸機(jī)械運(yùn)動(dòng)臺(tái)、調(diào)節(jié)架、ΧΥ壓電陶瓷組成;X軸機(jī)械運(yùn)動(dòng)臺(tái) 正交疊加在Υ軸機(jī)械運(yùn)動(dòng)臺(tái)上，構(gòu)成宏動(dòng)臺(tái)，ΧΥ壓電陶瓷通過(guò)調(diào)節(jié)架固定在X軸機(jī)械運(yùn)動(dòng)臺(tái) 上，立方鏡載物臺(tái)安裝于ΧΥ壓電陶瓷上。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大范圍原子力顯微鏡掃描定位系統(tǒng)，其特征在于:所述的 壓電陶瓷采用鎖相回路步進(jìn)驅(qū)動(dòng)；該鎖相回路由外差激光干涉儀、壓電陶瓷、高頻相移電 路、伺服系統(tǒng)構(gòu)成，借助于多普勒效應(yīng)，壓電陶瓷被步進(jìn)驅(qū)動(dòng)且步長(zhǎng)值可控。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述一種大范圍原子力顯微鏡掃描定位系統(tǒng)，其特征在于:所述的X-Υ平面掃描器采用宏微雙伺服環(huán)控制;運(yùn)動(dòng)控制模式有兩種:一是自由模式，即宏動(dòng)臺(tái)與壓 電陶瓷伺服環(huán)獨(dú)立閉環(huán)控制，大行程位移由宏動(dòng)臺(tái)完成而壓電陶瓷不執(zhí)行，當(dāng)靠近目標(biāo)時(shí)， 壓電陶瓷動(dòng)作，壓電陶瓷執(zhí)行納米步長(zhǎng)的步進(jìn)位移逐步逼近目標(biāo);這樣，壓電陶瓷僅在目標(biāo) 位置補(bǔ)償了宏動(dòng)臺(tái)的位移缺陷；二是軌跡跟蹤模式，在該模式下，所有的執(zhí)行器同時(shí)動(dòng)作； 在整個(gè)位移過(guò)程中，高頻相移電路不斷產(chǎn)生相移信號(hào)，即壓電陶瓷始終執(zhí)行納米步長(zhǎng)位移 來(lái)補(bǔ)償宏動(dòng)臺(tái)的缺陷直至到達(dá)目標(biāo)位置。
【文檔編號(hào)】G01Q60/24GK106053886SQ201610601352
【公開(kāi)日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年7月28日 公開(kāi)號(hào)201610601352.1, CN 106053886 A, CN 106053886A, CN 201610601352, CN-A-106053886, CN106053886 A, CN106053886A, CN201610601352, CN201610601352.1
【發(fā)明人】許素安, 金瑋, 黃艷巖, 富雅瓊, 謝航杰
【申請(qǐng)人】中國(guó)計(jì)量大學(xué)