專利名稱:模塊化原子力顯微鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及原子力顯微鏡，特別是一種模塊化原子力顯微鏡。
背景技術(shù)：
原子力顯微鏡是具有極高分辨率的表面測量儀器，是納米技術(shù)發(fā)展的重要基礎。它不但能像掃描隧道顯微鏡那樣從原子尺度觀察導體和半導體表面的原子形貌，還能獲得諸如玻璃、陶瓷、生物樣品等非導體表面的微觀結(jié)構(gòu)；并可以在大氣、水或是油中無損傷的直接觀察樣品。因此原子力顯微鏡具有廣泛的應用領(lǐng)域。大多數(shù)現(xiàn)有原子力顯微鏡都采用壓電陶瓷管做掃描器，有固定的結(jié)構(gòu)，因而只適用于某些特定的應用。例如有的只適用于小樣品檢測，有的卻只適用于大型大面積樣品檢測。
在先技術(shù)臥式原子力顯微鏡探頭(發(fā)明專利，公開號1445790)中，如圖1所示探頭由掃描與反饋控制器1001和光電檢測系統(tǒng)1002兩部分組成。掃描與反饋控制器1001包括xyz方向的三根壓電陶瓷1003、1004、1005，或用一個壓電陶瓷管代替1003、1004、1005和樣品臺1006，光電檢測系統(tǒng)1002包括微懸臂探針1008、激光器1009、位置敏感元件1010和微調(diào)逼近機構(gòu)1011。工作時，光電檢測系統(tǒng)1002在微調(diào)逼近機構(gòu)1011作用下實現(xiàn)針尖向樣品的逼近，然后開始樣品掃描，掃描過程中位置敏感元件1010檢測微懸臂探針1008的偏轉(zhuǎn)大小，從而獲取樣品表面的三維納米結(jié)構(gòu)形貌。該技術(shù)結(jié)構(gòu)簡潔，技術(shù)條件易于實現(xiàn)。但是明顯存在以下不足(1)該技術(shù)采用掃描樣品的方法，只適合小樣品檢測，如果放在掃描器末端的樣品較重，會導致掃描器共振頻率的下降，影響原子力顯微鏡的性能。
(2)激光器和位置敏感元件整合在光電探測系統(tǒng)1002中，不方便調(diào)整和更換，將上述裝置改成掃描針尖的原子力顯微鏡幾乎是不可能的。
(3)無法加入光學顯微鏡，不能從微米量級實時的觀察樣品和微懸臂，不方便調(diào)整激光聚焦在微懸臂頂端。
(4)樣品臺沒有xy向的粗調(diào)裝置，不能做微米水平待掃描區(qū)域的選擇。
(5)掃描和反饋器件由三根壓電陶瓷從xyz方向組合或采用一個壓電陶瓷管，這兩種掃描器都不能很好的保證xyz三個方向上運動的正交性，而且線性度不好。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問題在于克服上述在先技術(shù)的不足，提供一種按模塊化思想設計的模塊化原子力顯微鏡，該原子力顯微鏡的調(diào)整和更換方便；利用各模塊又很容易搭建不同結(jié)構(gòu)的原子力顯微鏡；樣品具有粗定位的功能。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種模塊化原子力顯微鏡，其特征在于它由7個模塊組成第一模塊為步近電機；第二模塊是四維樣品架，固定在步近電機上；第三模塊是z向掃描器；第四模塊包括微懸臂針尖和聚焦透鏡；第五模塊是xy向的掃描器；第六模塊包括具有調(diào)焦透鏡的半導體激光器、反射鏡、成像透鏡和四象限光電探測器；第七模塊包括光學顯微鏡、CCD攝像頭和監(jiān)視器；所述的第五模塊的xy向平板掃描器中間有方形通孔；第三模塊的z向掃描器固定在xy向掃描器的方形通孔內(nèi)壁上；第四模塊固定在第三模塊的z向掃描器上，第四模塊的微懸臂針尖位于聚焦透鏡的焦點處；第六模塊在激光器發(fā)出的激光光束的前進方向有反射鏡，光在反射鏡上反射后通過聚焦透鏡的中心匯聚到微懸臂針尖的針尖上，從針尖上反射的光通過成像透鏡的中心，在四象限光電探測器上形成光斑；第七模塊的CCD攝像頭和光學顯微鏡組合在一起，CCD攝像頭的輸出信號供給監(jiān)視器；第七模塊固定在第六模塊的反射鏡的后面，微懸臂針尖的針尖到光學顯微鏡的鏡面的距離等于光學顯微鏡的工作距離，樣品、微懸臂針尖的針尖和光學顯微鏡同軸，而且所述的反射鏡的尺寸應小于從微懸臂針尖的針尖進入光學顯微鏡的光束在該反射鏡處的光斑。
與在先技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)效果如下1、本發(fā)明模塊化的原子力顯微鏡采用xy掃描與z掃描分離的兩個獨立器件，能較好地保證掃描運動在xyz三個方向上的正交性；xy向掃描器和z向掃描器都帶有位置傳感器，掃描器的控制器閉環(huán)反饋環(huán)路的使用可以很好地保證掃描器的輸入電壓和掃描器相應位移之間的線性關(guān)系；2、我們把組成原子力顯微鏡的各單元器件集成為具有一定功能的最小模塊，可以方便利用這些模塊快速搭建成不同結(jié)構(gòu)原子力顯微鏡，以適應各種不同功能的需要；3、為使原子力顯微鏡觀測的視野從納米數(shù)量級擴展到微米量級，結(jié)合了光學顯微鏡，主要用來做微米水平的待掃描區(qū)域的選擇和實時監(jiān)視探針及樣品。在使用光束偏轉(zhuǎn)法檢測力傳感器的原子力顯微鏡中，擁有輔助的光學顯微鏡，還可以幫助操作者方便的將聚焦后的光點準確的移動到微懸臂的頂端位置；4、為配合微米水平待掃描區(qū)域的選擇，設置了四維樣品架，作為樣品的粗定位裝置；5、另外，我們采用的PI公司的xy向掃描器，它可以帶較大重量的負載，而且在帶負載的情況下還可以保證很高的共振頻率，不會影響到整個原子力顯微鏡系統(tǒng)的性能。
圖1為在先技術(shù)原子力顯微鏡的平面示意圖。
圖2為本發(fā)明模塊化原子力顯微鏡實施例1的原理示意圖。
圖3為本發(fā)明實施例2的原理示意圖。
圖4為本發(fā)明實施例3的原理示意圖。
具體實施方案先請參閱圖2，圖2為本發(fā)明模塊化原子力顯微鏡實施例1的原理示意圖。由圖可見，本發(fā)明模塊化原子力顯微鏡，其特征在于它由7個模塊組成第一模塊1為步近電機101；第二模塊2是四維調(diào)整的樣品架201，固定在步近電機101上；第三模塊3是z向掃描器301；第四模塊4包括微懸臂針尖401和聚焦透鏡402；第五模塊5是xy向的掃描器501；第六模塊6包括具有調(diào)焦透鏡的半導體激光器601、反射鏡602、成像透鏡603和四象限光電探測器604；第七模塊7包括光學顯微鏡701、CCD攝像頭702和監(jiān)視器703；所述的第五模塊5的xy向平板掃描器501中間有方形通孔；第三模塊3的z向掃描器301固定在xy向掃描器501的方形通孔內(nèi)壁上；第四模塊4固定在第三模塊3的z向掃描器301上，第四模塊4的微懸臂針尖401位于聚焦透鏡402的焦點處；第六模塊6，在激光器601發(fā)出的激光光束的前進方向有反射鏡602，光在反射鏡602上反射后通過聚焦透鏡402的中心匯聚到微懸臂針尖401的針尖上，從針尖上反射的光通過成像透鏡603的中心，在四象限光電探測器604上形成光斑；第七模塊7的CCD攝像頭702和光學顯微鏡701組合在一起，CCD攝像頭702的輸出信號供給監(jiān)視器703；第七模塊7固定在第六模塊6的反射鏡602的后面，微懸臂針尖401的針尖到光學顯微鏡701的鏡面的距離等于光學顯微鏡701的工作距離，樣品、微懸臂針尖401的針尖和光學顯微鏡701同軸，而且所述的反射鏡602的尺寸應小于從微懸臂針尖401的針尖進入光學顯微鏡701的光束在反射鏡602處的光斑。
本發(fā)明在實驗的準備工作中，要運用模塊7的光學顯微鏡701、CCD攝像頭702和監(jiān)視器703協(xié)助完成兩個重要的步驟，一是從微米量級做待掃描區(qū)域的選擇，借助四維樣品架201將待掃描的區(qū)域調(diào)整到微懸臂針尖401的下方；二是通過調(diào)整，使聚焦透鏡402聚焦的光點匯聚在微懸臂針尖401的頂端。工作時，先由步近電機101帶動四維樣品架201向微懸臂針尖401作粗逼近，z向掃描器301帶動微懸臂針尖401向樣品作細逼近。當針尖與樣品間的距離逼近到原子力作用的范圍時，xy向的掃描器501帶動針尖401在xy方向上掃過樣品，這時激光器601發(fā)出的平行光通過反射鏡602反射，被聚焦透鏡402匯聚，聚焦的光點緊密地跟蹤微懸臂針尖401的運動。從微懸臂針尖401上反射的光線通過xy向掃描器501中心的方形通孔，經(jīng)成像透鏡603匯聚到四象限光電探測器604上，由四象限光電探測器604檢測因為原子間作用力引起的微懸臂針尖401的偏轉(zhuǎn)。掃描過程中聚焦光點會緊密跟蹤微懸臂針尖401，四象限光電探測器604因為放在特定的位置，可以保證在空掃描狀態(tài)下，微懸臂針尖401沒有實際偏轉(zhuǎn)時，四象限光電探測器604上也一定不會有信號產(chǎn)生(見發(fā)明專利申請“原子力顯微鏡的光點跟蹤裝置”，申請?zhí)枮?00410053442.9)。
實施例1，是臥式針尖掃描原子力顯微鏡。模塊1的步近電機101采用PI公司的M-405.DG型的線性位移平臺，它的單向可重復精度為200nm；模塊2是可五維調(diào)整的樣品架201，固定在步近電機101上，作為樣品的粗定位裝置，可調(diào)節(jié)樣品的傾斜、仰角以及在xyz三個方向上的運動；模塊3是z向掃描器301，采用PI公司的P-753.11C型線性PZT平臺執(zhí)行器，伸縮長度為0.012mm，無附載共振頻率5.6KHz；模塊4包括水平傾斜15度的微懸臂針尖401和焦距為20mm的聚焦透鏡402，模塊4固定在模塊3上；模塊5是xy向的掃描器501采用PI公司的P-734.2C1型器件，掃描范圍0.1mm*0.1mm，其間中心是5cm*5cm的通光孔，無負載共振頻率500Hz。模塊3固定在模塊5上隨掃描器501做xy方向上的掃描，掃描器301和掃描器501都帶有電容式傳感器，可以工作在閉環(huán)反饋模式下，因此有很好的線性和精度；模塊6包括一個焦距為6cm的成像透鏡603，一個反射鏡602，一個包含可調(diào)焦透鏡的半導體激光器601，固定在可調(diào)傾斜和仰角的調(diào)整架上，四象限光電探測器604固定在一個五維調(diào)整架上；模塊7包括光學顯微鏡701，CCD攝像頭702和監(jiān)視器703。工作時，模塊1完成粗逼近，模塊3完成細逼近和執(zhí)行衡力或衡高的反饋任務，模塊5完成掃描功能，模塊4和模塊6完成光點跟蹤功能，模塊7完成微米量級的對針尖和樣品的實時觀測。
實施例2原理示意如圖3所示，采用上述的各模塊，只是把第五模塊5固定在第一模塊1上，在第五模塊5的掃描器上放置樣品，去掉模塊二就構(gòu)成樣品掃描針尖反饋的原子力顯微鏡，其光學顯微鏡可以是照明光從樣品上面照射的反射式，也可以是照明光從樣品下面照射的投射式，因為模塊5的掃描器有通光孔。
實施例3原理示意圖如圖4所示，采用上述的各模塊，只是在第五模塊5的掃描器上放置樣品，第一模塊1帶動第三模塊3、第四模塊4、第六模塊6從上向下的對樣品做逼近，第七模塊7用另外的架子固定在樣品和針尖的正上方，整體采用立式結(jié)構(gòu)。
經(jīng)實驗證明，本發(fā)明具有如下優(yōu)點1、本發(fā)明模塊化的原子力顯微鏡采用xy掃描與z掃描分離的兩個獨立器件，能較好地保證掃描運動在xyz三個方向上的正交性；xy向掃描器和z向掃描器都帶有位置傳感器，掃描器的控制器閉環(huán)反饋環(huán)路的使用可以很好地保證掃描器的輸入電壓和掃描器相應位移之間的線性關(guān)系；2、我們把組成原子力顯微鏡的各單元器件集成為具有一定功能的最小模塊，可以方便利用這些模塊快速搭建成不同結(jié)構(gòu)原子力顯微鏡，以適應各種不同功能的需要；3、為使原子力顯微鏡觀測的視野從納米數(shù)量級擴展到微米量級，結(jié)合了光學顯微鏡，主要用來做微米水平的待掃描區(qū)域的選擇和實時監(jiān)視探針及樣品。在使用光束偏轉(zhuǎn)法檢測力傳感器的原子力顯微鏡中，擁有輔助的光學顯微鏡，還可以幫助操作者方便的將聚焦后的光點準確的移動到微懸臂的頂端位置；4、為配合微米水平待掃描區(qū)域的選擇，設置了四維樣品架，作為樣品的粗定位裝置；5、另外，我們采用的PI公司的xy向掃描器，它可以帶較大重量的負載，而且在帶負載的情況下還可以保證很高的共振頻率，不會影響到整個原子力顯微鏡系統(tǒng)的性能。
權(quán)利要求
1.一種模塊化原子力顯微鏡，其特征在于它由7個模塊組成第一模塊(1)為步近電機(101)；第二模塊(2)是四維調(diào)整的樣品架(201)，固定在步近電機(101)上；第三模塊(3)是z向掃描器(301)；第四模塊(4)包括微懸臂針尖(401)和聚焦透鏡(402)；第五模塊(5)是xy向的掃描器(501)；第六模塊(6)包括具有調(diào)焦透鏡的半導體激光器(601)、反射鏡(602)、成像透鏡(603)和四象限光電探測器(604)；第七模塊(7)包括光學顯微鏡(701)、CCD攝像頭(702)和監(jiān)視器(703)；所述的第五模塊(5)的xy向平板掃描器(501)中間有方形通孔；第三模塊(3)的z向掃描器(301)固定在xy向掃描器(501)的方形通孔內(nèi)壁上；第四模塊(4)固定在第三模塊(3)的z向掃描器(301)上，第四模塊(4)的微懸臂針尖(401)位于聚焦透鏡(402)的焦點處；第六模塊(6)的激光器(601)發(fā)出的激光光束的前進方向有反射鏡(602)，光在反射鏡(602)上反射后通過聚焦透鏡(402)的中心匯聚到微懸臂針尖(401)的針尖上，從針尖上反射的光通過成像透鏡(603)的中心，在四象限光電探測器(604)上形成光斑；第七模塊(7)的CCD攝像頭(702)和光學顯微鏡(701)組合在一起，CCD攝像頭(702)的輸出信號供給監(jiān)視(703)；第七模塊(7)固定在第六模塊(6)的反射鏡(602)的后面，微懸臂針尖401的針尖到光學顯微鏡701的鏡面的距離等于光學顯微鏡701的工作距離，樣品、微懸臂針尖401的針尖和光學顯微鏡701同軸，而且所述的反射鏡(602)的尺寸應小于從微懸臂針尖401的針尖進入光學顯微鏡(701)的光束在反射鏡(602)處的光斑。
專利摘要
一種模塊化原子力顯微鏡，由7個模塊組成第一模塊為步近電機；第二模塊是四維調(diào)整的樣品架，固定在步近電機上；第三模塊是z向掃描器；第四模塊包括微懸臂針尖和聚焦透鏡；第五模塊是xy向的掃描器；第六模塊包括具有調(diào)焦透鏡的半導體激光器、反射鏡、成像透鏡和四象限光電探測器；第七模塊包括光學顯微鏡、CCD攝像頭和監(jiān)視器。本發(fā)明模塊化原子力顯微鏡的調(diào)整和更換方便；利用各模塊又很容易搭建不同結(jié)構(gòu)的原子力顯微鏡；樣品具有粗定位的功能。
文檔編號G01Q60/24GKCN1587982SQ200410054324
公開日2005年3月2日 申請日期2004年9月7日
發(fā)明者徐文東, 楊金濤, 吉小明 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan