（测试计量技术及仪器专业论文）基于高阶谐振的轻敲式原子力显微镜的设计.pdf

基于高阶谐振的轻敲式原子力显微镜的设计 摘要 扫描探针显微镜( s p m ) 是研究纳米科技的重要工具，在s p m 家族中，以 原子力显微镜( a f m ) 的应用最为广泛，它可以在大气、液体等多种环境下对 导体、半导体、绝缘体等多种材料进行观察，适应性很强。文中在研究原子力 显微镜工作原理的基础上，开发基于高阶谐振的轻敲式原子力显微镜系统。 文中完成的设计工作主要为以下几部分：原子力显微镜主体结构设计中， 分别对基于高阶谐振的轻敲式原子力显微镜的基座和测头设计做了详细介绍。 在基座设计方面，阐述了系统的核心部件三维压电陶瓷扫描器的工作原理及构 成；同时，分析设计了探针一样品逼近系统，此系统通过精密直流电机驱动螺旋 测微头实现了纳米量级的步进。测头设计的重点是硅悬臂变形检测系统和激光 光路调整机构。轻敲式探针励振单元部分，提出基于直接数字频率合成( d d s ) 的轻敲式探针励振方法，并设计了基于a d 9 8 3 3 的轻敲式探针励振电路，最后 分析了励振电路的输出频率特性和驱动能力。控制信号的检测、处理和采集部 分中，根据系统信号的特点，设计并调试了四象限光电检测单元、信号处理电 路单元和直流电压信号的采集单元。最后，对系统关键结构调试方法给出详细 介绍，并对系统电路部分的噪声和系统频率响应进行了测试，分析和评定文中 设计的系统达到的性能指标。 本文设计开发了基于高阶谐振的轻敲式原子力显微镜系统，此系统的研制 也为以后开展初级谐振探针和高阶谐振探针的扫描图像比对、检验高阶谐振探 针扫描技术的优越性等研究工作建立了良好的平台。 关键词：压电陶瓷管：四象限光电二极管；硅悬臂探针；轻敲式原子力显微镜； 直接数字频率合成 d e s i g no ft h et a p p i n g m o d e a f mb a s e do nh i g h e r o r d e rr e s o n a n c e a b s t r a c t a m o n g t h eg r e a tv a r i e t i e so fs p m s ，a t o m i cf o r c em i c r o s c o p y ( a f m ) i sm o s t w i d e l yu s e d a f mc a nb eu s e dt oo b s e r v em a n yk i n d so fm a t e r i a l si n c l u d i n g c o n d u c t o r s ，s e m i c o n d u c t o r s ，n o n c o n d u c t o r s ，w h i c hc a nb eo p e r a t e di na i r ，l i q u i do r v a c u u m i tp e r f o r m a n c e sw e l la n di t sa p p l i c a b i l i t yi sb e t t e r b a s eo nt h ep r i n c i p l eo f a f m ，as e to ft a p p i n g m o d ea f mb a s e do nh i g h e r o r d e rr e s o n a n c eh a sb e e n d e v e l o p e d t h ef o l l o w i n gi st h ep r i m a r yd e s i g nw h i c hh a sb e e nc o m p l e t e d i nt h es e c t i o n o fm a i ns t r u c t u r eo fa f m ，t h eb a s ea n dt h eh e a dd e s i g no ft a p p i n g - m o d ea f mh a v e b e e nd e s c r i b e di nd e t a i l i nt h eb a s ed e s i g n ，t h ep a p e rd e s c r i b e st h ec o m p o s i t i o n a n do p e r a t i o np r i n c i p l eo ft h r e e d i m e n s i o n a lp i e z o e l e c t r i cc e r a m i cs c a n n e rw h i c hi s t h es y s t e m sk e yc o m p o n e n t m e a n w h i l e ，t h ep a p e rd e s i g n st h ep r o b e s a m p l e a p p r o x i m a t i o ns y s t e m ，t h i ss y s t e mh a sa c h i e v e dn a n o m e t e rs t e pt h r o u g ht h es c r e w m i c r o m e t e rh e a dd r i v e nb yt h ep r e c i s i o nd c m o t o r t h ee m p h a s e so fh e a dd e s i g n a r ed e t e c t i o no fs i l i c o n c a n t i l e v e rp r o b ed e f o r m a t i o na n dd e s i g no fl a s e ra l i g n m e n t s e c t o r i nt h es e c t i o no ft a p p i n g m o d ep r o b ed r i v e nu n i t ，ad r i v i n gm e t h o do f t a p p i n g - m o d ep r o b eb a s e do nd d sh a sb e e np r o p o s e d ，t h ep r o b ed r i v e nc i r c u i t b a s e do nt h ea d 9 8 3 3h a sb e e nd e s i g n e d ，a n dt h eo u t p u tf r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c s a n dd r i v i n gc a p a b i l i t ya r ed i s c u s s e df i n a l l y q u a d r a n tp h o t o e l e c t r i cd e t e c t i o nu n i t ， s i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i tu n i t ，a n dd cv o l t a g es i g n a la c q u i s i t i o nu n i ta r ed e s i g n e d a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es y s t e ms i g n a li nt h ec o n t r o ls i g n a ld e t e c t i o n ， p r o c e s s i n ga n da c q u i s i t i o ns e c t i o n f i n a l l y ，t h ep a p e r - d e s c r i b e st h em e t h o d so fk e y a l i g n m e n ti nd e t a i l ，t e s t st h en o i s ea n dt h ef r e q u e n c yr e s p o n s eo fe a c hp a r to f c i r c u i ts y s t e m ，a n da n a l y z e st h ep e r f o r m a n c eo ft h ew h o l es y s t e m t h et a p p i n g m o d ea f mb a s e do nh i g h e r o r d e rr e s o n a n c ew h i c hh a sb e e n d e v e l o p e di nt h i sp a p e rh a se s t a b l i s h e dag o o dp l a t f o r mf o rt h ef u t u r er e s e a r c h e s ， s u c ha st h es c a n n e di m a g ec o n t r a s to fp r i m a r yr e s o n a n c ep r o b ea n dh i g h e r o r d e r r e s o n a n c ep r o b e ，t e s t i n gt h eh i g h e r o r d e rr e s o n a n c ep r o b es c a n n i n gt e c h n o l o g y s s u p e r i o r i t y 。 k e yw o r d s ：p i e z o e l e c t r i cc e r a m i ct u b e ；q u a d r a n tp h o t o d i o d e s ；s i l i c o n c a n t i l e v e r p r o b e ；t a p p i n g - m o d ea t o m i cf o r c em i c r o s c o p y ；d d s 插图清单 1 1 扫描隧道显微镜的基本原理与系统组成2 1 2 原子力显微镜的基本原理( 光杠杆法) 3 1 3 轻敲式原子力显微镜的基本原理5 1 4 原子力显微镜的工作模式在力距离曲线上的分布5 2 1 基于高阶谐振的轻敲式原子力显微镜系统结构框图11 2 - 2 基于高阶谐振的轻敲式原子力显微镜系统简图1 1 3 - 1 圆管状压电陶瓷1 2 3 2 常用三维压电陶瓷扫描器的形状1 3 3 3 三维压电陶瓷扫描器的封装1 4 3 4 基于高阶谐振的轻敲式原子力显微镜的基座1 5 3 5 光杠杆法的微悬臂变形检测原理图1 7 3 - 6 t a p 3 0 0 轻敲式探针外形尺寸1 8 3 7 激光光路的调整方式1 8 3 8 一维和二维精密调整平台1 9 3 - 9 q p 2 0 6 四象限光电二极管封装尺寸2 0 3 1 0 测头总体结构和激光光路示意图2 0 3 1 1 测头底板2 1 4 1d d s 基本原理框图2 2 4 2a d 9 8 3 3 内部结构框图2 3 4 3 探针励振单元结构框图2 4 4 4 基于a d 9 8 3 3 的探针励振电路图2 5 4 5 探针励振单元程序流程图2 5 4 630 0 k h z 正弦波形图2 7 4 71m h z 正弦波形图2 7 5 1 信号检测处理电路框图：2 9 5 2 q p 2 0 6 四象限光电二极管3 0 5 3 光电检测和i v 转换电路3 1 5 4 电压信号和差运算电路框图3 1 5 5 电压信号运算电路3 2 5 6l t c l 0 6 2 搭建的接触模式低通滤波电路3 3 5 7a d 5 3 6 搭建的r m s d c 转换电路3 3 5 8m a x 2 7 5 搭建的轻敲模式低通滤波电路3 4 5 - 9n ip c i 6 2 2 9 电压信号采集及控制单元结构框图3 5 6 。1 基于高阶谐振的轻敲式原子力显微镜系统3 6 6 2 系统测头( 左) 与系统基座( 右) 3 7图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 图6 3 图6 4 图6 5 图6 6 图6 7 图6 8 为甜甜铊 一 一 一 一 一 平平 水水 针图 声声 探装 噪噪 臂安 路路图悬针平电电置微探水理理位的臂声处处斑状悬噪式式光形微卡模模光同统集触敲激不系采接轻 表格清单 四分型压电陶瓷管参数1 3 微型直流电机及减速箱技术参数1 6 7 s t m 0 2113 轻灵手动平移台技术参数1 9 压电陶瓷片参数2 3 输出正弦信号频率测试2 6 正弦信号频率步进测试( 步进量l k h z ) 2 7 激光光斑图案解析3 8 旋转激光器位置调整台水平旋钮与垂直旋钮的图案解析3 9 反射光强信号测试4 2 系统频率响应测试4 3 1 2 3 l 2 3 l 2 3 4孓孓孓钆乱钆。昏昏乱 表表表表表表表表表表 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得金目曼王些太堂或其他教育机构的学位或证j 5 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： l 译签字日期：2 叼坼铲月刁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金日巴王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权盒月巴王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者躲 互砰 签字日期：州睥铲月2 罗日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 黄强知 签字吼丑厂。年年月翠日 电话： 邮编： 致谢 本学位论文的完成是在导师黄强先教授的精心指导下完成的。在三年的硕 士研究生课程学习和学位论文研究的过程中，自始至终得到了黄老师的悉心指 导和帮助。由衷感谢黄强先老师在学业和各方面的教诲，黄老师严谨的治学作 风、诲人不倦的情怀、分析洞察问题的能力和对科研事业的执着追求，都值得 我在以后的工作和生活中体会与学习，这也将激励我在以后的人生道路上勇敢 的面对困难与挑战。 在学习过程中，也感谢党学明老师给予我无私的指导和帮助，也要感谢侯 茂盛、刘小为、王广红、侯祺、盛秀丽等在我实验的过程中给予了很多帮助， 他们的帮助使得我的科研工作进展顺利。 最后还要感谢所有在我的硕士学习阶段关心、支持和帮助过我的老师和同 学们。 作者：王祥 日期：2 0 l0 年4 月 第一章绪论 1 1 引言 纳米技术( n a n o t e c h n o l o g y ) 是在纳米尺度上研究物质特性和相互作用的 新技术。1 9 5 9 年底，诺贝尔物理学奖获得者r i c h a r dp f e y n m a n 在美国物理学 会的年会上做了名为“t h e r e sp l e n t yo f r o o ma tt h eb o t t o m ”的演讲，首次提 出了纳米尺度上的科学和技术问题。讲稿中指出，如果能够重新排列单个原子， 就能了解到大量物质的新特性，开展大量新的研究工作。19 7 4 年，n t a n i g u c h 创造了纳米技术( n a n o t e c h n o l o g y ) 来描述各种精密机械加工技术。尽管这一 术语最初所强调的是精密机械零件的加工问题，并不涉及纳米尺度设备的创造 和使用，但目前还是被广泛用于讨论微型机器的研制和使用。1 9 7 7 年麻省理工 学院的德雷克斯勒认为，上述想法可以从模拟活细胞中生物分子的人工类似物 的分子装置开始，并命名为纳米技术( n a n o t e c h n o l o g y ) 。7 0 年代德雷克斯勒访 问斯坦福大学后成立了n s t ( n a n o s c a l es c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，即纳米科技) 研究组。 19 8 2 年，i b m 公司的g b i n n i n g 和h r o h r e r 发明了扫描隧道显微镜 ( s c a n n i n gt u n n e lm i c r o s c o p y ，s t m ) 1 2 j ，这一发明使得人类进入了直接观察 原子、操纵原子的新时代，标志着在原子和分子水平根据人们的意愿测量、加 工以及创造新的物质结构与特性成为可能。1 9 8 6 年，i b m 公司的g b i n i n g 博士 和斯坦福大学的c f q u a t e 等人在s t m 的基础上研制成功原子力显微镜 ( a t o m i c f o r c em i c r o s c o p y ，a f m ) 【3j 。近些年来，由于它受测量环境限制小， 并且在测量中对样本没有破坏性，测量范围较大等优点迅速成为探测微观领域 的重要工具。a f m 与s t m 相比较，a f m 是用力来检测探针与表面“接触”与 否，它比s t m 用电流来检测更优越，因为它不仅能用于半导体，也能用于绝缘 体。 扫描隧道显微镜( s t m ) 、扫描力显微镜( s f m ，原子力显微镜属于其中一 种) 、以及随后出现的一些工作模式、结构性能类似的仪器被统称为扫描探针显 微镜( s p m ) 。而近十年来，随着微半导体器件、m e m s 、纳米器件等对表面测 量的高精度要求，以及d n a 、蛋白质分子等生物材料表面测量的非破坏性要求， 需要测量仪器不仅具有纳米级的分辨率，还要具有尽可能小的测量力以及较低 的测量环境要求。而对于各种现代表面分析仪器来说，自身都存在一定的局限 性，所以就需要研制新型的显微系统以达到上述要求。 1 2 扫描探针显微镜( s p m ) 的工作原理及其特点 1 2 18 p m 的发展及其工作原理 1 9 2 8 年f l o w l e r 等人首次提出了隧道效应4 】：波可穿过高度为v 的势垒而 传播。随着低温技术和真空技术的发展，隧道效应逐步得到证实。 扫描隧道显微镜( s t m ) 的工作原理是基于量子的隧道效应，即在两金属 屯极上施加一定的偏置电压，当两者的问隙达到数纳米甚至更小时，一部分i b 子将穿透势垒，在针尖和样品之川形成微弱的电流，这种现象就称为隧道效应。 s t m 主要由p z t 三维扫描器、针尖样品逼近系统、电子控制系统与计算机采 集、图象处理系统组成。其工作原理如罔1 1 所示。 图l l 扫描隧道显微镜的基本原理与系统组j 啦 将原子线度的极细针尖和被研究物质的表面作为两个电极，当微探针的引 尖与试样表面未接触时按照经典物理学和电子学概念，两者之间存在空气问 隙而几乎绝缘，即存在一个势垒的壁碍；而根据量子学原理，当两者之问的间 隙达到数纳米甚至更小时，部分电子将穿透势垒，在针尖和样品之间形成微 弱的电流，则隧道电流i 与针尖和样品之日j 距离d 以及平均功函数中之间的关 系为1 5 1 ： ，v e e x p ( 一a , f f d ) ( 1 1 ) 式中，k 一针尖与样品之间所加的偏压： 毋一针尖与样品的平均功函数： a 一常数，在真空条件，a = 10 2 5 由上式计算得，当距离d 减小0l n m 时，隧道电流，将增加一个数量级 即隧道电流对样品表面的微观起伏特别敏感。 工作时，利用电子反馈控制系统控制隧道电流的恒定，并利用压电陶瓷扫 描器控制针尖在样品表面的扫描，则探针在垂直于样品方向上的位移变化就反 映出样品的表面微观形貌特征，这就是扫描隧道显微镜的恒电流工作模式。另 外一种工作模式是恒高模式，即在扫描过程中始终保持针尖在空间的高度不变， 测出隧道电流的变化即可描绘出试样表面的微观形貌特征，但在这种模式下， 探针在扫描具有大起伏特征的表面时容易与试样相撞导致损坏，所以不被经常 采用。 媾p ij 砑 渺 内嘿j t 豳兰羁篓二 由于原子力显微镜( a f m ) 对三维空间具有极其出色的显像能力，并且可 以在大气环境中直接进行影像观察，所以a f m 在很多学科中都有广泛应用。 如材料科学、半导体物理学、生物科学、电化学、有机化学、微机电、纳米科 技等领域。利用a f m 在测量中对力的极端敏感性，可以测量样品表面的纳米 级力学性质，如对样品的弹性、塑性、硬度及悬臂针尖与样品表面之间的吸引 力和粘着力进行深入研究。同时，a f m 不仅是表面分析仪器，其在纳米加工与 制造方面也扮演着重要的角色，利用a f m 进行原子级的操作、装配和改形等 加工处理已经成为近年来的前沿技术【7 1 。 1 2 3a f m 的几种工作模式及其特点 a f m 可以在多种环境下工作，有在真空中、大气中甚至还有在液体中。它 不仅能够测量导体试样表面的微观形貌图，还可以测量非导体试样表面的微观 形貌图。根绝a f m 的工作模式不同，被测试样可以是生物材料，而且在测量 过程中不会对生物材料造成破坏性。按照a f m 在工作时探针和样品表面的接 触情况，主要有三种工作模式【8 1 ： ( 1 ) 接触模式：即指在扫描过程中将硅微悬臂上的探针与试样表面始终接 触的工作模式。在接触模式下可以获得很快的扫描速度和高稳定、高分辨力的 图像，但是对于柔软材料容易使其变形，并且由于材料表面在大气状态下会覆 有吸附层，会导致成像质量下降，即使置于液体环境下测量，也不能很好的解 决探针引起的试样变形和移动等问题。 ( 2 ) 非接触模式：是指探针在距试样表面5 - 2 0 n t o 的高度上以微小振幅( 一 般 1 0 n t o ) 对试样进行扫描，通过检测针尖与试样之间的长程引力引起的微小 振幅变化来调节三维扫描器的伸缩以保证针尖和样品的间距恒定。这种工作模 式下探针始终不与表面接触，因而克服了接触模式下针尖对材料表面的损坏和 吸附作用。但由于针尖与样品间距较大，其分辨率要比接触模式低。而且由于 距离很小，针尖很容易被吸附到样品表面，造成图像的不稳定，也因此导致其 扫描速度是几种模式中最慢的，通常要求样品表面的吸附液很薄，对工作环境 要求很高，所以其应用受到了一定的限制。 ( 3 ) 轻敲模式：在这种工作模式下，探针由硅悬臂带动以较大的振幅( 通 常为几十到几百纳米) 处于谐振或近谐振状态。扫描过程中，探针不断地以轻 微的测力向试样表面敲击，因此称为轻敲模式( t a p p i n gm o d e ) 。在轻敲模式下， 探针与试样表面始终是瞬间接触，如图1 3 所示，消除了横向力的影响，其分 辨力接近接触模式的水平，更不会对试样表面产生损坏。但缺点也是扫描速度 较慢。 轻敲模式原子力显微镜的工作原理：用一个外加的振荡信号驱动探针在样 品表面上方振动，如图1 ，3 所示。探针振动的振幅也可通过光电检测器的上下 部分的光强差来确定。当探针未逼近样品时，探针在谐振频率附近作自由振动； 4 图i 3 轻敲式原子力显微镜的基本原理 、_ 探针在样品表面扫描时，由于样品表面的原子与微悬臂撩针尖端的原子问的 相互作用力探针的振幅减小。反馈电路测量振幅的变化量，通过改变加在扫 描器z 方向上的电压保持探针振幅的恒定，计算机记录这个电压，即反映了 样品的表面形貌。 i - - ”_ j 隧! ”扩 一一一一弋“”。 丫譬a 1 f f a c n * ， t 。t a li n t er a c t i o n 图1 4 原子力显微镜的工作模式在力- 距离曲线上的分布 三种模式中，微悬臂探针尖端的原子间的相互作用力是不同的。接触式的 探针与样品间的作用力是原予间的排斥力( r e p u l s i v ef o r c e ) 由于排斥力对距 离非常敏感，所以接触式较容易得到具有a 级的垂直分辨率。当a f m 采用非 接触测量模式时，针尖与表面的距离为几到几十纳米，此时针尖与表面的作用 力仅为1 0 - t 2 n 左右，另外微悬臂的刚度要较大，以保证不会被作用力拉到和表 面接触，这种模式若聚片j 静态的方法检测微悬臂变形则微悬臂的偏摆会难以 测量因此需要采用动态测量方法。轻敲模式中扫描成像时针尖对样品进行 敲击，微悬臂探针尖端的原子间的相互作用力既有排斥力的作用也有吸引力的 作用，三种模式探针尖端受力情况如图1 4 所示。 1 3 原子力显微镜( a f m ) 的发展现状及局限性 作为测量仪器a f m 的目标是：更稳定、更精确、更准确、速度更快、结 构更简单、应用范围更广泛。自从s p m 理论形成开始，原子力显微镜就己经步 入了市场化的进程。 目前商业用途的原子力显微镜的主要提供商很多，他们都能提供一些通用 型号的科研或者学习型扫描探针显微镜，各个厂商的侧重点不同，也有着各自 的特点。作为纳米科技的眼和手的提供商，他们也积极推动了纳米科技的发展。 目前商业化的a f m 接触模式分辨率可以高达0 o ln m ，而轻敲模式也可以达到 0 1l q m 的分辨率。在精度上，各个厂商都使用不同的方法进行评测，暂时没有 统一的标准。测量范围最大可以覆盖到几百微米的区域。主要的提供商有：国 外的主要生产商有v e e c o ( d i g i t a li n s t r u m e n t ) 、日本仕嘉仪器、俄罗斯n d m d t 公司及美国太平洋纳米p n i ，国内的著名生产商有本原纳米科技公司、上海爱 建纳米技术公司【9 1 。 尽管a f m 己经商业化，但毕竟作为一个才兴起了不到3 0 年的新技术，原 予力显微镜就其仪器本身来说，也存在着诸多局限性，有些问题甚至很难有所 突破。概括起来，国内外a f m 技术的不足之处主要表现在以下几方面【1 0 】【】： 1 测量的对象单一化 目前的扫描探针显微镜，主要用于表征表面的形貌，当然还可以测量表面 的硬度、摩擦力等其它属性，然而有时需要能够动态的测量表面性质的变化， 或者结合其它电学等特性进行测量，它的测量对象还是很有限的。 2 测量速度需要提高 由于扫描测量的特点，每点都要进行伺服反馈，必然限制其测量的速度。 如果要满足对大量样品的检测，就必须提高测量的速度。 3 纳米量级的计量标准需要建立 目前的长度标准和表面形貌的标准都是基于以前的测量方法的，对于纳米 级别的计量标准至今没有统一，各种测量仪器之间需要一个统一的标准来进行 衡量和评价。 4 测量环境要求较高 虽然扫描探针显微镜已经对环境要求相当宽泛，但是对于一些特殊条件下 存在的样品进行检测还存在一定的困难。 5 分辨率需要提高 对于不同类型的扫描探针显微镜，分辨率不同，对于s t m 分辨率优于 0 1 f m ，而接触式a f m 精度可达o 1 f m ，轻敲模式可以优于1 f m 。然而，如果 深入分析分子内部的结构还需要更高的分辨率。 1 4 课题来源及研究内容 1 4 1 课题来源 在现有的a f m 中，探针的工作状态分为两种模式：静态模式和动态模式。 6 静态模式a f m 是利用原子间作用力对探针悬臂造成的弯曲变形来检测作用力 的大小的；而动态模式a f m 的悬臂处于谐振状态，利用悬臂谐振频率或谐振 振幅对外力的敏感反应来进行测量。二者相比，动态模式a f m 具有横向测力 小、扫描速度快、抗干扰强的特点，成为a f m 主要工作模式。但是，现有的 动态模式a f m 大多是工作于初级谐振模式的动态a f m ，扫描速度低，灵敏度 不高，同时受到现有硅悬臂探针几何参数的制约，使得动态模式a f m 的扫描 速度提高受到限制。 针对上述扫描探针技术的现状和存在的问题，根据今后的发展趋势，我们 采用普通商用静态模式a f m 悬臂或动态模式a f m 悬臂，驱动其工作于高阶谐 振状态下来实现表面测量，由于频率的提高，处于高阶谐振的悬臂，其探针的 振动状态对外力极其敏感从而提高了探针的扫描速度和测量灵敏度，同时可采 用普通动态模式a f m 悬臂的控制模式实现探针对试样表面的扫描测量或纳米 操作。悬臂振动频率的提高，不仅可使探针的扫描速度提高6 18 倍以上，还可 使探针定位系统的测量精度提高近一个数量级。同时，大气的阻尼对高谐振频 率探针的影响减小，降低了a f m 对环境的要求。 课题来源： 1 国家自然科学基金项目( 项目批准号5 0 9 7 5 0 7 5 ) ： “基于高阶柔性探针的三维纳米测量与定位技术研究 2 安徽省教育厅重点实验室项目( 项目编号k j 2 0 0 7 a 0 6 7 ) ： “亚纳米高阶谐振探针扫描技术及其应用研究” 1 4 2 研究内容 针对初级谐振模式的动态a f m 的扫描速度慢、灵敏度低等缺点，本文设 计研制了基于高阶谐振的轻敲式原子力显微镜系统，此系统驱动硅悬臂处于二 阶或者更高的谐振状态，提高了探针的扫描速度和测量灵敏度。 研究主要内容包括： 1 基于高阶谐振的轻敲式原子力显微镜的主体设计 主体结构设计主要包括：测头设计和基座设计；在基座设计方面，阐述了 系统的核心部件三维压电陶瓷扫描器的工作原理及构成，扫描器采用四分型压 电陶瓷管实现三维微动扫描。同时，分析设计了探针样品逼近系统，此系统采 用三点支撑方式，通过精密直流电机驱动螺旋测微头实现了纳米量级的步进， 必要时也可通过手动粗调样品和探针的距离。测头设计主要是微悬臂变形检测 系统设计和激光光路调整机构设计两部分。微悬臂变形检测方法为光杠杆法， 采用准直聚焦式半导体激光器作为检测光源，激光波长6 5 8 n m 5 r i m ，功率 1 1o mw 可调，激光器和光电检测器分别固定于二维精密手动调整结构，实现 光斑位置和接收位置的二维调整。 2 轻敲式探针励振单元设计 7 提出基于直接数字频率合成( d d s ) 的轻敲式探针励振方法【1 2 】，并设计了 基于a d 9 8 3 3 的轻敲式探针励振电路，最后还对励振电路的输出频率特性和驱 动能力进行了分析。 3 控制信号的检测、处理和采集系统设计 根据系统中信号的特点，设计并调试了四象限光电检测单元、信号处理电 路单元和直流电压信号的采集单元。 4 系统调试和性能评价 给出了整个系统的实物图，对系统关键结构调试方法给出详细介绍，详细 阐述了系统硅悬臂探针的选择和安装方法，并对系统各电路部分的噪声和系统 频率响应进行了详细测试，分析和评定文中所设计系统所能达到的性能指标。 第二章基于高阶谐振的轻敲式原子力显微镜的系统结构 如第一章所述原子力显微镜的构成方式，本论文中所研究的基于高阶谐振 的轻敲式原子力显微镜系统同样具有相似的构成。下面，是对所设计系统的整 体工作原理及各部分结构功能的概述。 2 1 系统整体的工作原理 此系统在通用原子力显微镜系统基础上，采用普通商用静态模式悬臂探针 或动态模式悬臂探针，利用谐振频率很高的压电陶瓷片驱动其工作于高阶谐振 状态下；此时悬臂上的探针沿垂直的z 向做恒定振幅彳的自由振荡，采用光杠 杆法检测振幅彳，由四象限光电检测器将悬臂的自由振荡转换为电流号，通过 后续i v 转换电路和处理电路得到对应自由振荡的电压信号u ；扫描试样时， 先由探针样品逼近系统使探针不断逼近试样表面，最终到达我们预先设定的参 考点( 参考点悬臂的振幅大概是自由振幅的5 0 7 0 ) ，然后，程序控制三维 扫描器在x 、y 向进行一定间距的步进扫描，随着试样表面的起伏，探针在某 一点处与试样表面发生瞬间接触时，由于微小接触力的作用和能量损耗，悬臂 的自由振幅彳减小为么7 ，相应的电压信号由u 减小为u7 ，将这一变化着的电 信号经处理电路后送到计算机中的数据采集单元，与参考点设定电压值相比较 后输出一个压差信号，送入z 向压电陶瓷高压驱动单元，控制z 向压电陶瓷伸 缩调节探针与试样表面的间距，保持悬臂的振幅恒定，构成振幅电压的反馈控 制。记录每一点送入z 向压电陶瓷高压驱动单元的电压值以及x 、y 向的步进 扫描控制电压值重构出试样表面的微观形貌，实现表面测量，由于频率的提高， 处于高阶谐振的悬臂，其探针的振动状态对外力极其敏感从而提高了探针的扫 描速度和测量灵敏度。 2 2 系统设计目标和要求 针对当前商用动态模式原子力显微镜大多是工作于初级谐振模式的动态 a f m ，扫描速度低，灵敏度不高，同时受到现有硅悬臂探针几何参数的制约， 使得动态模式a f m 的扫描速度提高受到限制。我们提出采用普通商用静态模 式悬臂或动态模式悬臂研制基于高阶谐振的轻敲式原子力显微镜系统。一方面 从高阶谐振的角度考虑，采用高谐振频率的圆形压电陶瓷片驱动悬臂，驱动其 工作于二阶甚至更高阶谐振状态；同时设计高频率响应的信号处理电路，对处 于高阶谐振的悬臂振幅信号转换的电信号进行处理，以满足利用高阶谐振探针 进行表面形貌测量的要求；另一方面，考虑研制的基于高阶谐振的轻敲式原子 力显微镜平台的通用性，通过信号处理电箱面板的切换开关选择系统的工作模 式为接触模式或轻敲模式，达到在不同模式下进行表面形貌测量的目的；仪器 9 既可以工作于接触模式也可以工作于轻敲模式。为达到以上目的，对本设计提 出以下要求： 1 利用商用探针设计、研制基于高阶谐振的轻敲式原子力显微镜的微悬臂 变形检测系统。能够同时获得探针对应的样品形貌、摩擦力等信息。 2 设计、研制探针样品逼近系统。 3 利用四分型压电陶瓷管，研制三维压电陶瓷扫描器。 4 研制频率可程控的轻敲式探针励振单元。 5 研制基于高阶谐振的轻敲式原子力显微镜的光电转换电路、信号处理电 路，要求基于高阶谐振的轻敲式原子力显微镜不仅可以工作于轻敲模式，也可 以接触模式原子力显微镜使用。每种模式下探针都能够获得样品的形貌和摩擦 力信息。 2 3 系统设计方案及其结构框图 本文所设计的基于高阶谐振的轻敲式原子力显微镜系统，微悬臂变形检测 采用激光光束偏转法。利用四象限光电二极管检测光信号的方法，解码出探针 的垂直方向的变形( 正压力) 和水平方向的扭转变形( 摩擦力) ，并利用正压力 信号进行反馈控制，这样才能达到二维扫描的同时，通过高阶谐振状态的探针 获得样品表面形貌和摩擦力信号的要求。 对于信号处理电路部分，采用开关切换工作模式方案，使系统实现接触模 式与轻敲模式的选择。 整个基于高阶谐振的轻敲式原子力显微镜系统可以分成以下几部分： 1 ) 微悬臂变形检测系统，采用光杠杆法检测出探针的z 向变形、扭转变 形及信号的总强度信息。 2 ) 探针样品逼近系统，此系统采用三点支撑方式，通过精密直流电机驱 动螺旋测微头实现了纳米量级的步进，也可通过手动对样品和探针的距离进行 粗调。 3 ) 三维压电陶瓷扫描器及其高压驱动控制器。x y 扫描器驱动样品扫描， z 向压电陶瓷扫描器带动探针控制针尖与样品的间距。 4 ) 轻敲式探针驱动压电陶瓷片及其励振电路，提出基于直接数字频率合成 ( d d s ) 的轻敲式探针励振方法，并设计基于a d 9 8 3 3 的轻敲式探针励振电路。 5 ) 控制信号的检测处理、放大和滤波电路系统。对解码出的正压力、摩擦 力及信号总强度放大滤波采集，反馈控制三维压电陶瓷扫描器。 6 ) 计算机控制、数据采集处理软件等。对所有的信号进行采集、实时处理 并实时显示；输出控制信号完成探针样品逼近和扫描试样等。 整个系统的框图及其之间的相互关系如图2 1 和图2 2 所示。以上各部分 的研制在以后几章详细的介绍。 1 0 # f $ m 1 * * 臼勺# m a f 8 m # 4 h q f # “* 圉2 1 基于高阶谐振的轻敲式原子力显微镜系统结构框图 图2 - 2 基于高阶谐振的轻敲式原子力显微镜系统简图 第三章基于高阶谐振的轻敲式原子力显微镜的主体设计 基于高阶谐振的轻敲_ i l = 原了力显微镜的丰体都分，足整个原于力屁微镜系 统的核心，负责针尖与样品之刚追近、探针微悬臂变形检测和对样品扫描。 般分两部分：上边测头 = i 分和f 边的基座部分。测又部分包括探针的固定架及 微悬臂变形检测单元，半导体激光器及固定台、激光光路的调整机构等。基座 部分包括三维压电陶瓷扫描器及样品台，探针，样品之间的粗调、逼近系统。扫 描器一般安装在基座内，扫描器的具体结构见基座设计部分。 3 1 基座设计 311 三维压电陶瓷扫描器设计 三维压电陶瓷扫描器【13 i 是a f m 仪器的核心部件之，它不仅提供x y 方 向的扫描，而且是保持针尖样品之间作用距离恒定，使a f m 具有高分辨率的 重要原幽。 所谓压电效应是指当沿着一定方向对某些电介质加力而使其发生机械变形 时，在定表面上会产生b 荷，当外力去掉后。又重新回到不带电状态。压f 乜 陶瓷是利用逆压电效应，就是在某些电介质上施加一定的电场电介质会在某 些方向发生变形i 。 十， i 兰i3 1 圆管状压电陶琵 目前常用的压电陶瓷形状主要有矩形、压电陶瓷片、圆管状( 见图3 1 ) ， 对于常见的压电陶瓷，影响压电陶瓷变形能力的主要参数有两个d j j ( 长条横向 伸缩振动模压电应变常数，单位：r e v ) 和出，( 长条纵振动模压电应变常数， 单位：m v ) 。以常见的管状压电陶瓷为例，一般内、外壁都镀有屯极，极化方 向为轴向。当在管内、外壁上施加电场时，由于以，和函，的作用，将产生轴向 和径向变形，其变形量可由下面公式确定： e ：d 3 1 。l x u ( 3 - i ) d = 氏u ( 3 - 2 ) 式中，u 一两电极之间所加的电压( 矿) ： e 一压电陶瓷管的长度( m m ) ： d - 压电陶瓷管的蹙厚( ? t i m ) ： 丁上嗣 当压电陶瓷管外壁分割为对称的四个电极时，就成为三维压电陶瓷扫描器， d 为管壁的厚度d = ( 。九) 2 ，j j x y 水平方向的变形为： d z ：4 y ：2 - f 2 d 3 , 。l = x u( 3 3 ) 硪d 由压电陶瓷材制制成的压电扫描器常有三角架型、十字架型和单管型【”j ， 如型3 2 所示。目前，单管型扫描器因为共振频率高、体积小、易封装等优点 被普遍采用。此类扫描器由一个中空的圆柱管状压电陶瓷管组成，在其外壁均 匀对称地沿轴向镀上四个电极，其中相对的两个电极成对使用，施加申极性或 双极性电压，产生个水平方向的扫描运动。内壁为一个整体电极，施加电压 产生z 方向的伸缩变形。 f 厂 幽3 - 2 常用三维压屯陶瓷扫描器的形状 基于高阶谐振的轻敲式原子力显微镜采用单管型扫描器控制的方式，它具 有体积小，扫描范围大，谐振频率高等优点。因此需要一个四分型的压电陶瓷 管，压电陶瓷管由中国电子科技集团第二十六所购买，其具体参数见表3 1 。 表3 - i 四分型压电陶瓷管参数 参数内径外径长度最大工作电压电容 单位 n f ( = 2 0 ) 四分型压电陶瓷管l2 0 12 0 所购买的四分型的压电陶瓷管的谐振频率为4 0 k h z ，材料采用为灵敏度高、 时自j 稳定性好的p 一5 材料，幽，_ 一3 2 0 p m v 和出3 - 5 5 0 p m v ；可由式3 - 1 和式3 - 3 分别计算出z 向和水平方向在加电压时的位移量，从而得到扫描器的最大扫描 范围。 设计系统的压电陶瓷高压驱动电压范围是：2 0 0 矿+ 2 0 0 v ，则扫描嚣的扫 描范围如下： z ：d 3 1x l x u ：! ! ! ! 型：! 堑：! ! ：! 型：1 7 “。 dl l u 。 j x ：d y ：2 4 2 d 3 , x ? x u ：2 压x 3 2 0 x 1 0 - 2 x ( 2 6 r x l o - x r ) 2 x 一2 0 0 ：39 m 碗d 31 4 2 1 0 x 1 0