一種微納米尺度耦合振動高分辨測量方法
【專利摘要】一種微納米尺度耦合振動高分辨測量方法。該方法基于原子力顯微鏡AFM成像技術，首先使鈍化的AFM探針與掃描器上的光滑樣品表面接觸，通過高壓驅動器驅動掃描器帶動樣品做X軸方向往復掃描運動，利用光電探測器同步檢測AFM探針Z軸方向偏轉過程，實現掃描器X軸方向運動引起掃描器Z軸方向耦合振動的微納米尺度高分辨測量。
【專利說明】一種微納米尺度耦合振動高分辨測量方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基于原子力顯微鏡AFM的微納米尺度耦合振動高分辨測量方法。【背景技術】
[0002]原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope, AFM)快速掃描技術是近年來迅速發展的熱門石開究方向(T.Ando, “High-speed atomic force microscopy coming of age”，Nanotechnology, 2012, 23:06200-062028.)。掃描速率的提高不僅能減少掃描時間，提高運行效率，更重要的是能彌補普通AFM由于掃描速率慢(I秒/幀)，不能實時觀測生物樣本動態變化的不足。
[0003]掃描器作為AFM系統關鍵部件之一，其快速運動性能對AFM成像效果起決定作用。目前AFM快速掃描技術采用的掃描器一般為壓電陶瓷管，壓電陶瓷堆，柔性鉸鏈平板掃描器或石英音叉。上述掃描器在進行X軸方向快速掃描運動時，均不同程度地存在多軸耦合振動現象，其中Z軸方向的耦合振動會明顯影響探針與樣品表面的作用力，從而影響AFM成像效果。
[0004]為定量分析掃描器耦合振動對AFM成像的影響，并進一步消除其耦合振動，除了通過有限元仿真計算其振動模態外，需要對其耦合振動進行高精度的實際測量。對于掃描器的微納米量級振動，一般采用電容傳感器(黃向東，劉立豐，譚久彬，馬標.調幅式電容位移傳感器的峰值檢波電路設計.光學精密工程，20，11，2444-2449，(2012).)或激光測振儀(中國專利201310257681.5，中國專利201310252759.4)測量其真實的振動模態。然而電容傳感器受其響應帶寬影響，振動測量頻率一般小于IOOkHz ;激光測振儀則受其價格影響，高分辨力和高動態檢測范圍需要高昂的價格才能實現。
[0005]AFM微懸臂梁探針具有納米級三維分辨力且諧振頻率高達百KHz以上直至數MHz，AFM除了用于樣品表面形貌三維表征外，也可用于振動測量，如徐臨燕等(徐臨燕，栗大超，劉瑞鵬等，基于輕敲模式AFM的納米振動表征方法.壓電與聲光，32，4，677-681，2010.)利用AFM在輕敲模式下實現了 Z方向IMHz頻率納米級微振動測量，其給樣品Z方向施加IMHz高頻激勵，通過測量探針的振幅和相位得到樣品Z方向振動模態。目前AFM測振方法只針對單軸方向測振(如Z軸方向),對于多軸I禹合(如X軸方向運動引起的Z軸方向振動)測量則未見報道。
【發明內容】
[0006]本發明的目的是克服現有技術測量振動帶寬太窄或成本太高的缺點，提供一種微納米尺度耦合振動高分辨測量方法。
[0007]本發明測量方法基于原子力顯微鏡AFM成像技術，利用鈍化的AFM探針接觸樣品光滑表面，通過光電探測器檢測探針Z軸方向的偏轉，實現對掃描器X軸運動引起Z軸耦合振動的高分辨測量。
[0008]本發明方法的具體步驟為:[0009]I)設置原子力顯微鏡AFM自動進針過程及探針初始狀態；
[0010]2)驅動掃描器X軸方向往復掃描運動；
[0011]3)確定掃描器Z軸方向稱合振動模態。
[0012]所述的原子力顯微鏡AFM包括光電探測器(PSD)、激光光源、步進電機、高壓驅動器、探針、樣品和掃描器。
[0013]所述振動模態為在某一外部激勵下被激勵物體在某一時刻的位移值。
[0014]所述步驟I)設置AFM自動進針過程及探針初始狀態的方法為:
[0015]通過步進電機帶動探針向樣品表面逼近，當光電探測器檢測到從探針背面反射過來的光斑信號發生偏轉時，停止步進電機，原子力顯微鏡AFM的自動進針過程完成。為防止探針測振過程中，由于樣品傾斜導致掃描時與探針脫離引起的探針自激振蕩影響，通過調整掃描器Z方向伸長量，使探針始終接觸樣品表面。鈍化的探針及光滑的樣品表面能最大程度避免掃描器X軸方向掃描運動時摩擦力對探針偏轉的影響。
[0016]所述步驟2)驅動掃描器X軸方向往復掃描運動方法為:
[0017]掃描器為壓電式掃描器，通過高壓驅動器給掃描器施加正弦波或三角波式的周期驅動信號實現X軸方向周期掃描運動。
[0018]所述步驟3)確定掃描器Z軸方向耦合振動模態的方法為:
[0019]掃描器帶動樣品在X軸方向以頻率fx和幅值Sx進行往復掃描運動時，通過光電探測器感應從探針背面反射回來的激光束來測量探針的Z方向偏轉情況，得出掃描器Z方向率禹合振動模態為-S'(/) = 3sin(<y/ + p)，式中t為時間，A為探針Z方向偏轉的振幅，w為探針Z方向偏轉的角速度，t為探針Z方向偏轉的初始相位角。
[0020]本發明原理是:利用鈍化的原子力顯微鏡AFM的探針在樣品光滑表面做X軸方向往復掃描運動，由于探針始終與樣品表面接觸，且可忽略X軸掃描方向摩擦力對探針Z軸方向偏轉的影響，光電探測器測得的探針Z軸方向的偏轉信號則表征了掃描器做X軸方向往復掃描運動時引起的Z軸方向稱合振動模態。
[0021]本發明具有如下優點:
[0022]本發明利用AFM探針具有納米級高分辨力及高諧振頻率等特點，且相對于激光測振儀而言具有低廉的價格，可以對具有微納米尺度動態耦合振動現象的微位移致動器，如壓電掃描器、平板掃描器等，實現耦合振動的高分辨測量。這種測量方法具有靈活、簡單、精度高等優點。測量出的耦合振動模態可以用于消除掃描器掃描成像過程中引起的圖像畸變，進一步提高成像精度。該測量方法對于精密儀器的振動測量，尤其是軸間耦合振動測量，具有十分重要的應用價值。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1為稱合振動模態測量示意圖；
[0024]圖中:I光電探測器(PSD )，2激光光源，3步進電機，4高壓驅動器，5探針，6樣品和7掃描器。
【具體實施方式】
[0025]以下結合附圖和【具體實施方式】進一步說明本發明。[0026]本發明方法的步驟如下:
[0027]I)設置原子力顯微鏡AFM自動進針過程及探針初始狀態:
[0028]如圖1所示,步進電機3以0.5um/s速度帶動探針5向樣品6表面逼近，當光電探測器I檢測到從探針5背面反射過來的發射自激光光源2的光斑偏轉信號超過IOOmv時，停止步進電機3，AFM自動進針過程完成。為防止探針5測振過程中，由于樣品6傾斜導致掃描時與探針5脫離引起的探針5自激振蕩影響，通過調整掃描器7的Z方向伸長量，使光電探測器I偏轉電壓達到400mv左右，保證探針5始終接觸樣品6表面。
[0029]2)驅動掃描器X軸方向往復掃描運動:
[0030]掃描器7為壓電式掃描器，通過高壓驅動器4給掃描器7施加峰峰值為200V，頻率為IOOHz的正弦波作為周期驅動信號，實現掃描器X軸方向周期掃描運動。
[0031]3)確定掃描器Z軸方向稱合振動模態:
[0032]掃描器7帶動樣品6與探針5始終接觸的情況下做X軸方向往復掃描運動時，通過光電探測器I感應從探針5背面反射回來的激光束來測量探針5的Z方向偏轉情況，得出掃描器Z方向耦合振動模態為S(t) = 0.023sin (200 Jit-l.762) um。
【權利要求】
1.一種微納米尺度耦合振動高分辨測量方法，其特征在于，所述的測量方法基于原子力顯微鏡成像技術，利用鈍化的原子力顯微鏡的探針接觸樣品的光滑表面，通過光電探測器檢測探針Z軸方向的偏轉，實現對掃描器X軸運動引起Z軸耦合振動的高分辨測量。
2.根據權利要求1微納米尺度耦合振動高分辨測量方法，其特征在于，所述的測量方法包括以下步驟: 1)設置原子力顯微鏡自動進針過程及探針初始狀態； 2)驅動掃描器X軸方向往復掃描運動； 3)確定掃描器Z軸方向稱合振動模態； 所述步驟I)設置原子力顯微鏡自動進針過程及探針初始狀態的方法為: 通過步進電機(3)帶動探針(5)向樣品(6)的表面逼近，當光電探測器(I)檢測到從探針(5)背面反射過來的發射自激光光源(2)的光斑偏轉信號IOOmv時，停止步進電機(3)，原子力顯微鏡的自動進針過程完成；調整掃描器Z方向伸長量，使探針(5)始終接觸樣品(6)的表面； 所述步驟2)驅動掃描器X軸方向往復掃描運動方法為 : 通過高壓驅動器(4)給掃描器(7)施加峰峰值為200V，頻率為IOOHz的正弦波作為周期驅動信號，實現掃描器X軸方向周期掃描運動； 所述步驟3)確定掃描器Z軸方向耦合振動模態的方法為: 掃描器(7)帶動樣品(6)在與探針5始終接觸的情況下，在X軸方向以頻率fx和幅值Sx進行往復掃描運動時，通過光電探測器(I)感應從探針(5)背面反射回來的激光束來測量探針(5)的Z方向偏轉情況,得出掃描器Z方向I禹合振動模態為S(Z) = /isin(<y/ + ^)，式中t為時間，A為探針Z方向偏轉的振幅，Co為探針Z方向偏轉的角速度，P為探針Z方向偏轉的初始相位角。
3.根據權利要求2所述的微納米尺度耦合振動高分辨測量方法，其特征在于，所述的步驟2)得到的掃描器Z方向耦合振動模態為S(t) = 0.023sin(200 n t_l.762) um。
【文檔編號】G01Q60/24GK103645348SQ201310642547
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年12月3日 優先權日:2013年12月3日
【發明者】殷伯華, 陳代謝, 韓立, 劉俊標, 林云生, 初明璋 申請人:中國科學院電工研究所