（精密仪器及机械专业论文）压电探针表面信息并行读取若干关键技术研究(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

中国科学技术大学颈士学位论文 摘要 摘要 基于微探针阵列来实现样品表面的并行探测是解决单根探针扫描速度慢问 题的根本途径。本文研究内容包括：l 、基于压电微探针阵列的超高密度信息存 储中纳米数据坑的读取：2 、利用具有自驱动和自检测功能的压电微探针构建轻 敲模式的并行原予力显微镜。 压电微探针用于超高密度信息存储中纳米数据坑的读取，主要面临信噪比不 高的问题。根据对多层结构压电微探针弯曲变形的电荷灵敏度的分析，指出优化 上电极钝化层的设计可以在保证探针低刚度的前提下提高电荷灵敏度，并相应的 改进了探针加工工艺流程；在电荷放大读取电路中引入低噪声直流偏置电压，增 强p z t 薄膜的等效横向压电系数西，进一步提高电荷灵敏度。研究工作有助于存 储密度进一步提高时利用压电微探针读取更小尺度的数据坑。 压电微探针具有自驱动和自检测能力，不需要外部的激励单元和检测单元， 便于多探针集成构建并行原子力显微镜。轻敲模式a f m 中。样品表面的高低起伏 对压电微探针的振动状态进行调制，简单的实现单路压电微探针的交流振动解调 是利用压电微探针构建轻敲模式并行a f m 的基础。设计了差动式电荷前置放大器 来提取表征探针振动的微弱压电信号，并利用开关楣敏检波方法实现压电微探针 交流振动的解调。在单路压电微探针交流振动检测方案的基础上，基于c 6 7 1 1d s k 数字开发平台设计了a d 、d a 子卡，来实现恒高度模式扫描样品表面的四路并行 a f m 系统。 关键词；微机电系统；压电微探针阵列；超高密度信息存储；并行厥子力显微镜 m a s 培f l h e s i s o f u s t c a b s t r a c t p a r a l l e ls c a n n i n go fs a m p l es u r f 蛳w i t ham i c r o p r o b ea r r a yi st h eb a s i cw a yt o h a n d l et h ep r o b l e mo f s l o ws c a n n i n gs p e e dw i t ha s i n g l ep r o b e i nt h i sp a p e r , t h ef o l l o w i n gt w oa s p e c t sa l es t u d i e d ： 1 n a n o m e t e rd a t am d e n t a t i o n sr e a d i n go u ti n p i e z o e l e c t r i cm i c r o p r o b ea r r a yb a s e d u l t r a h i g hd e n s i t ys t o r a g e 2 u s i n gp i e z o e l e c t r i cm i c r o p r o b e si n t e g r a t e dw i t hs e l f - a c t u a t i o na n ds e l f - s e n s i n ga b i l i t yt o f o r mp a r a l l e lt a p p i n gm o d ea t o m i cf o r c em i c r o s c o p e w h e nu s i n gp i e z o e l e c t r i cm i c r o p r o b et or e a dn a n o m e t a rd a t ai n d e n t a t i o n si n u t t r a h i g h d e n s i t ys t o r a g e ，i t sc r i t i c a lt oi m p r o v et h es i g n a lt on o i s er a t i o b a s e d0 1 1t h ea n a i y s i so fc h a r g e s 砸v 时o f m u l t i l a y e rp i e z o e l e c t r i cm i c r o p r o b e ，i m p r o v i n gt h ed e s i g no f p a s s i v a t i o nl a y e ra b o v e u p p e re l e c t r o d e c a ni m p r o v ec h a r g es e n s i t i v i t yw i t h o u ti n c r e a s i n gs p r i n gc o n s t a n to ft h e m i c r o p r o b e c o r r e s p o n d i n g i m p r o v e m e n t o f f a b r i c a t i o n p r o c e s s f o r t h e m i c r o p r o b e w a s d e s c r i b e d i n t r o d u c e dal o wn o h ed cb i a sv o l t a g ei nd a t ar e a d o u tc i r c u i tt oi n c r e a s e 蝴s e n s i t i v i t ym o r e o v e rb ye n h a n c i n gt h ee f f e c t i v ew o n s v e r s ep i e z o e l e c n i cc o e f f i c i e n td j ，o f p z tf i l m a l lt h e s e h e l p t os a t i s f yt h er e q u i r e m e n tt od e c e r ne v e ns m a l l e rd a t ai n d e n t a t i o n sf r o ms y s t e mn o i s ei ni n c r a l s i n g s t o r a g ed e n s i t y p i e z o e l e c t r i cm i c r o p r o b e sw i t hs e l f i a c t u a t i o na n ds e l f - s e n s i n ga b i l i t ym a k ei t p o s s i b l et oi n t e g r a t em u l t i p l em i c r o p r o b e st of o r mp a r a l l e la t o m i cf o r c em i c r o s c o p e i nt a p p i n gm o d ea f m ，v i b r a t i o no ft h em i c r o p r o b ei sm o d u l a t e db yt h eh e i g h t v a r i a t i o no fs a m p l es u r f a c e i t si m p o r t a n tt od e m o d u l a t et h em i c r o p r o b ev i b r a t i o ni n as i m p l em e t h o dt oa c h i e v ep a r a l l e l t a p p i n gm o d ea f m ad i f f e r e n t i a lc h a r g e p r e a m p l i f i e rw a sd e s i g n e dh e r et oe x t r a c tt h ew e a kp i e z o e l e c t r i cs i g n a lo fm i c r o p r o b e v i b r a t i o n ，a n ds w i t c h i n gt y p ep h a s es e n s i t i v ed e m o d u l a t o rw a si n t r o d u c e dt o d e m o d u l a t et h ev i b r a t i o ns i g n a l b a s e do nt h em i c r o p r o b ev i b r a t i o nd e m o d u l a t i n g m e t h o dd e s c r i b e d ，ad a u g h t e rc a r dw i t ha da n dd ac o n v e r t e r sw a sd e s i g n e df o r c 6 7 1ld s kp l a t f o r mt of u l f i laf o u rc h a n n e lp a r a l l e la f m s y s t e m ，w h i c hs c a n n i n g t h es a m p l es u r f a c ei nt h ec o n s t a n th e i g h tm o d e k e yw o r d s ：m e m s ；p i e z o e l e c t r i cm i c r o p r o b ea r r a y ；u l t r a h i g hd e n s i t yd a t as t o r a g e ； p a r a l l e la t o m i cf o r c em i c r o s c o p e h 中国科学技术大学学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究 工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的 同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权， 即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和电子版，允许论文被查阅或借阅，可以将学位论文编入有关 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也遵守此规定。 作者签名：差塑 2 够1 肆6 其多b 中国科学技术大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 微机电系统 微机电系统( m i c r oe l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ，姬m s ) 是指在微电子技术和 微机械加工技术基础上发展起来的，集微传感器、微执行器以及信号处理和控制 电路、通信接口与电源于一体的微型电子机械系统。m e m s 涉及电子、机械、材 料、控制、物理、化学和生物等多种学科，融合了当今科学技术发展的许多尖端 成果，通过微型化、集成化探索具有新原理、新功能的器件和系统，开辟了一个 新的技术领域，是未来的主导产业之一乜】 图1 1 微机电系统与外部世界相互作用示意图 与微电子技术相比，m e m s 中的微机械加工技术较为复杂，标准化的难度 很大。美国侧重于发展以集成电路工艺为基础的硅基微加工技术，包括体微加工 技术和表面微加工技术。体微加工技术容易制造出几何尺寸较大，机械性能较好 的器件，但难与标准i c 工艺兼容。表面微加工技术利用硅片表面的薄膜沉积和 刻蚀得到所需的微机械结构，与i c 工艺兼容性好，可以得到微梁，微桥，微腔 等二维结构。德国人发明的光刻铸造成型( l i o a ) 技术和随之发展的准l i g a 技 术，可以用于大批量的加工制造微金属齿轮等具有高深宽比的三维结构。以日本 为代表发展了各种超精密机械加工( 微切削、微研磨等) 和特种微细加工方法( 激光 束、电火花加工等) ，虽然可以加工各种材料，但难以实现批量生产。 中国科学技术大学硕士学位论文第一章绪论 m e m s 中应用的材料按性质可以分为结构材料和功能材料。硅具有良好的机 械性能和电性能，硅基的微机械加工工艺相对成熟，是m e m s 中最重要的结构材 料。根据应用场合的不同，m e m s 中还包含一系列可以实现传感或驱动的功能材 料，譬如光敏材料、气敏材料、生物敏感材料、压电材料和磁致伸缩材料等。p z t 铁电薄膜由于具有高压电常数和高机电耦合系数等优点，是微机电系统中最有前 途的功能材料之一，被广泛应用于m e m s 器件的制作。本文讨论的压电微探针阵 列，就是利用p z t 薄膜作为功能材料，实现微探针的自检测和自驱动。 l g i 8 0l 啪 图1 2 微机电系统研究的发展历程 m e m s 器件以其微型化、集成化、智能化、低成本等优势，在许多应用领域 替代了传统的传感器、执行器及系统，使传统产业升级换代，也促使许多新产品的 诞生。微型加速度计、微型压力传感器、数字微镜器件( d m d ) 、喷墨打印机的微 喷嘴、微型麦克风等一批艟螨器件已经成功的实现了市场化。姬m s 研究按其应用 领域可以分为微惯性传感器、微执行器、射频r fm e m s 器件、光学m e m s 器件、 生物医疗m e m s 器件以及与纳米科技相结合的忱m s 器件等，图1 2 展示了微机电 系统研究多年来的发展历程。本文将讨论的基于压电微探针阵列的超高密度信息 存储以及并行轻敲模式原子力显微镜，都是典型的l 呱例支术进入纳米尺度领域的 例子。 中国科学技术大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 基于探针阵列的超高密度信息存储 由于超顺磁效应的限制。传统磁存储方式的存储密度难以突破3 0 0 g b i n 2 啪。 信息技术的发展要求将更多的数据存储在更小的面积中，超高密度信息存储技术 的研究近年来受到了广泛的关注。为了提高信息存储的密度，一方面，可以利用 垂直磁记录、隧道磁阻磁头等技术来改进现有的磁存储方式嘲；另一方面，研究 人员也在探索诸如超高密度光信息存储旧、基于a f m 探针阵列的超高密度信息存 储等新的存储方式。 基于a f m 探针阵列的超高密度信息存储，采用热机械数据存储方式，将数据 以纳米凹坑的形式记录在存储介质表面忉。一方面利用a f m 探针的纳米尺寸针尖 来突破存储密度的限制，另一方面依靠探针阵列并行读写来解决单根探针读写速 度慢的问题，基于a f m 探针阵列的超高密度信息存储技术以其实用化前景得到 了i b m 、l g 、s t a n d f o r d 大学等机构的大力推动弘l 町 图i 3i b mm i l i i p e d e 超高密度存储研究计划嘲 图1 3 为i b m 公司的超高密度信息存储研究计划“m i l l i p e d e ”的系统结构 示意图。二维探针阵列中每根探针负责其1 0 0 l l m l o o u m 存储面积内数据的写入、 读出和擦除，通过存储介质薄膜上纳米量级数据凹坑的存在与否辨别数据位0 或 1 ，控制存储介质( 或探针阵列) x y 方向扫描实现整个存储区域的数据读写。 中国科学技术大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 4i 酬集成数据读写功能的微探针s e m i ! “】 目前i 蹦研究人员已经成功制作了6 4 x 6 4 的二维探针阵列，图1 4 为阵列中 集成了数据读写功能的微探针单元的扫描电镜图像。数据写入时，给写入电阻施 加一个电压脉冲来加热探针针尖，同时在s i 基底和探针的电容平面之间施加一个 电压脉冲，产生静电力帮助加热针尖压入存储介质表面，产生纳米凹坑。数 据读取利用的是掺杂的半导体热敏电阻的温度敏感特性；读取时施加直流电压加 热热敏电阻，当探针针尖扫描经过纳米凹坑时，热敏电阻由于更靠近常温的存储 介质表面导致温度下降，从而引起热敏电阻阻值微小的相对变化( 1 0 4 n m ) ，读 取电路提取该阻值的微小变化来检测数据斑”】。 图1 5 不同存储密度下对应的数据图像【l i 】 4 中目科学技术大学硕士学位论文第一章绪论 图1 5 为i b m 在其利用单根微探针进行的超高密度信息存储实验中，分别采 用4 0 6 g b i n 2 ，6 4 1 g b i n 2 、1 0 2 t b i n 2 存储密度得到的数据图像。随着存储密度的 提高，写入的纳米数据凹坑质量下降。数据存储密度为6 4 1 g b i n 2 时，其数据读 出的原始错误率( r a we r r o rr a t e s ) 仍低于1 0 r 4 ，当存储密度达到1 0 2 t b i n 2 时， 数据读出的原始错误率提高到2 4 x 1 0 。4 。 l g 公司的超高密度信息存储研究中，纳米数据凹坑采用与i 蹦相同的热机械 方式写入存储介质表面；与i 删熟敏电阻数据读取方式不同，l g 研究人员提出了 一种更为简单的读取方案，利用压电微探针扫描经过纳米数据凹坑时弯曲变形产 生的压电电荷脉冲来检测数据斑的存在，其压电电荷读取灵敏度达到 0 6 1 5 f c n m 。”，图1 6 对比了i 删和l g 的超高密度信息存储数据读取方式。 图1 6i 蹦热敏电阻读取方式与l g 压电读取方式的对比“4 i b m 公司为热敏电阻读取方式设计了专门的读取电路来检测热敏电阻微小的 相对变化，读取电路的输出达到了1 5 d b 的信噪比“”；相比而言。l g 基于压电电 荷检测的数据读取信噪比较低，当数据坑深度小于2 0 n m 时信号不能较好的从系 统噪声中分辨出来“4 。较低的信噪比不仅大大降低数据读出的原始错误率，而且 限制了存储密度的提高。提高压电微探针弯曲变形的电荷灵敏度有利于提高压电 方式数据读取的信噪比，本文第二章对此作了详细的分析 中国科学技术大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 基于探针阵列的并行原子力显微镜 1 9 8 2 年，i b m 公司苏黎世实验室的g b i n n i n g 和i i r o h r e r 共同研制成功了第 一台扫描隧道显微镜( s c a n n i n gt u n n e lm i c r o s c o p e ，s n d ，通过检测隧道电流来 反映样品表面信息“o 。为了弥补s t m 不能直接观测非导电样品的缺憾，g b i n n i g ， c f q u a t e 和c g e r b e r 于1 9 8 6 年研制出了原子力显微镜( a t o m i cf o r c e m i c r o s c o p e ，a f m ) ，通过探针与被测样品之间微弱的相互作用力来获得样品表面 形貌。”。s t m 、a f m 以及随后发展的磁力显微镜，静电力显微镜( e f 呦，摩擦力 显微镜( f f 哟等为表面科学和纳米科技领域提供了强有力的观测手段。 图1 7 原子力显微镜的结构示意图 图1 7 为一个典型的a f m 系统结构示意图。探针针尖与样品表面的相互作用 力使探针发生变形，位置敏感元件( p s d ) 检测出投射到探针自由端的激光束的偏转 来反映微探针的变形。反馈系统通过压电陶瓷管调节样品台z 向位置，保持微探 针变形恒定( 恒力模式) ，通过压电管的反馈量可得出样品的表面形貌。 除了成像的空间分辨率，扫描成像的速率也是原子力显微镜的重要参数。为 了解决单根探针扫描成像速度慢的问题，利用探针阵列中彼此独立的探针各自扫 描其对应区域，构成并行原子力显微镜，同时对样品表面较大的区域进行观测， 是提高a f m 扫描成像速率的重要途径。并行a f m 可以用来实现动态实时的样品表 面观测，譬如记录生物样品表面发生的生理生化过程等。 6 中国科学技术大学硕士学位论文 第一章绪论 传统的微探针弯曲变形光学检测方法体积庞大，难以集成；而压电陶瓷管也 无法为每根探针提供单独的z 向位置反馈；设计具有自检测和自驱动能力的微探 针阵列是实现并行a f m 的前提条件。 图1 87 m m x l o m m 的单芯片a f m 系统【1 6 1 瑞士苏黎世联邦理工大学( e t h ) 的研究人员首次实现了一个单芯片集成的 a f i i 系统( 图1 8 ) ，在7 衄1 ) ( 1 0 衄的芯片面积上提供了四路a f m 探针的模拟信号检测 和数字闭环控制电路，结合x - y 方向水平扫描装置和一些外部提供的参考电压， 可以对样品表面进行接触模式( c o n t a c tm o d e ) 的并行扫描“”。 图1 9 具有自检测和自驱动能力的一维探针阵列【l 刀 7 中国科学技术大学硕士学位论文 第一章绪论 a f m 芯片的右端为p o s t - c 瑚0 s 微加工工艺制作的包含1 0 根扫描探针和2 根 参考探针的一维微探针阵列，如图1 9 所示。扫描探针长5 0 0 u m , 宽8 5 u m ，探针 的弹性常数为i n m 谐振频率4 5 k h z ，q 值约4 0 0 。 靠近探针的固定端制作了四个压敏电阻构成惠斯通电桥，基于压阻方式实现 探针变形的自检测，变形检测灵敏度为5 u v n l l 。由于薄膜沉积的应力导致扫描 探针的惠斯通电桥输出含有5 0 m v 量级的直流偏置，通过与参考探针上的惠斯通 电桥输出进行差分放大来抵消该偏置。 扫描探针基于热双晶片原理实现自驱动，由于硅和铝层的热膨胀系数不同， 、 在扫描探针的扩散电阻上施加一定的加热电流，可控制探针的弯曲变形。探针变 形的热驱动效率为0 3 u m m w ，受到探针热时间常数的限制，热双晶片驱动方式 的带宽只有3 k h z 。 根据检测到的探针变形信号，数字部分采用f i r 滤波器实现p i d 闭环控制，将 探针与样品表面的接触力维持在设定的常量，实现闭环的接触模式扫描。数字部 分还为每路探针提供一个i i r 滤波器用于滤除驱动信号导致的伪力信号，防止探 针传感和驱动之间的串扰。该单芯片a 刚系统的纵向分辨率优于i n m “”。 采用热双晶片的驱动方式，探针的热时间常数限制了a f m 闭环扫描的带宽。 s t a n f o r d 大学o u a t e 教授研究小组设计了压电方式自驱动的a 雕微探针，通过给探 针表面沉积的z n 0 压电薄膜施加偏置电压来驱动探针变形“”。压电方式驱动相比 于热双晶片驱动，时间常数小，几乎不需要消耗能量，线形也较好。 前面提到的并行a 蹦都是基于接触模式，接触模式下微探针扫描的横向力以 及针尖一样品表面间的粘附力容易毁坏样品表面形貌，导致图像数据出现假象； 轻敲模式a f m ，谐振态的探针在样品表面只有短暂的间歇接触，对样品的损伤小， 特别适用于生物样品等具有柔软表面样品的检测。利用压电微探针可以实现轻敲 模式a f m 的自驱动和自检测，为集成并行轻敲模式a 雕系统提供了基础。本文三、 四两章将讨论基于压电微探针的轻敲模式a 雕信号处理。 中国科学技术大学硕士学位论文 第一章绪论 1 4 本文的主要研究内容 本论文的研究内容主要包括两个方面：l 、研究基于压电微探针阵列的超高 密度信息存储中纳米数据坑的读取：2 、利用具有自驱动和自检测功能的压电微 探针构建轻敲模式的并行原子力显微镜。本文接下来各章的安排为： 第二章针对超高密度信息存储中压电方式读取纳米数据坑面临的信噪比不 高的问题，根据对多层结构的压电微探针弯曲变形的电荷灵敏度的分析，分别 从优化探针结构设计的角度和增强p z t 压电薄膜等效横向压电系数西，的角度 提高压电方式数据读取的电荷灵敏度。 第三章轻敲模式中，样品表面的高低起伏对压电微探针的振动状态进行调 制，简单的实现单路轻敲模式压电微探针的交流振动检测是利用压电微探针构 建轻敲模式并行原子力显微镜的基础。这一章重点讨论了轻敲模式下单根压电 微探针的交流振动检测方案，详细分析了信号检测方案里各个环节的设计。 第四章在单路压电微探针交流振动检测方案的基础上，基于c 6 7 1 1d s k 数字 开发平台来实现恒高度模式扫描样品表面的四路并行a f m 系统，详细讨论了系 统中a d 、d a 子卡的设计。 第五章论文研究工作的总结以及展望。 9 中国科学技术大学硕士学位论文第二章基于压电探针阵列的超高密度存储表面信息读取 第二章基于压电探针阵列的超高密度存储表面信息读取 2 1 超高密度存储表面信息读取方式 基于探针阵列的超高密度信息存储中，纳米数据坑的读取目前主要有：i b m 的热敏电阻读取方式伽、s t a n d f o r d 的压阻读取方式唧和l g 的压电读取方式“”。热 敏电阻或压阻方式都依靠检测电阻值微小的相对变化0 0 。4 量级峨”) 来读取数据 坑。图2 1 中介绍了i b m 公司在其m i l l i p e d e 计划里设计的数据读取电路的模拟部 分，由于数据信号叠加在一个很大的偏置电压上，为了避免引入高采样位数的 a d 转换，读取电路中需要对该偏置电压进行抵消“。 t q n a b h m z h t o t 图2 1i 删【基于热敏电阻方式的数据读取电路及其读取结果 压电方式依靠拾取微探针在扫描经过数据坑时弯曲变形产生的压电电荷来 读取数据，不需要考虑偏置电压的抵消，读取电路相对简单( 图2 2 ) ；变形产生 压电电荷的时间在纳秒量级，读取速率基本上只受探针谐振频率的限制；而且读 取过程中压电传感层并不消耗能量，大大降低了数据读取操作的能耗啪。 虽然具有上述优点，压电读取方式目前尚存在信噪比不高的问题，当数据坑 深度小于2 0 n m 时信号不能较好的从噪声中分辨出来，随着存储密度的提高，采用 压电读取方式将面l f 备困难。本章研究工作围绕提高压电探针表面信息读取的电荷 灵敏度，根据对微探针弯曲变形的电荷灵敏度的分析，分别从改进探针结构设计 的角度和提高p z t 薄膜等效横向压电系数西，的角度对电荷灵敏度进行优化。 中国科学技术大学硕士学位论文第- i f 基于压电探针阵列的超高密度存储表面信息读取 图2 2l g 基于压电方式的数据读取电路及其读取结果【1 2 1 2 2 压电探针表面信息读取电荷灵敏度分析 图2 3 压电微探针结构示意图 压电微探针为多层结构，微探针扫描经过纳米数据坑时，p z t 薄膜弯曲变形 产生压电电荷，压电读取方式通过拾取该电荷来读出数据。p z t 薄膜为多晶结构， 使用与( 6 删m 点群相同的压电系数矩阵，由第一类压电方程1 ，电位移矢量d 沿 探针长宽方向分量为0 ，沿p z t 薄膜厚度方向分量d j 为： d 3 = 呜l + ( q + 吒) + e ， ( 2 一1 ) 式中：西j 为p z t 薄膜等效横向压电系数，历为厚度方向电场。图2 3 中，微探针 中性层位于x z 平面内，探针弯曲在p z t 薄膜内部产生的应力为： 吼+ c r 2 = 矿e 丽e r r * y ，( 2 - 2 ) 式中：e e z r ) b p z t 杨氏模量，y 为p z t 层离探针中性层距离，p 为p z t 泊松比，p ( x ) 为探针弯曲的曲率半径。 中国科学技术大学硕士学位论文第二章基于压电探针阵列的超高密度存储表面信息读职 探针固定端位于) r z 平面，探针自由端受力弯曲时，曲率半径满足： 1 p ( 力= 3 搿s ( 1 - x ) 1 3 ， ( 2 - 3 ) 式中：为探针自由端的挠度，为探针长度。p z t 薄膜与上、下电极层界面分 别位于y 劝和y = y 1 平面，压电电荷放大读取电路中，上下电极层等电势，边界条 件为： le - d y = 0 ， ( 2 - 4 ) y l p p z t 薄膜内部自由电荷体密度为0 ，可知电位移矢量d 的散度d i v d 为o ；而d 只有3 方向分量，可知仍沿薄膜厚度方向保持常量。p z t 薄膜内功沿y 方向积分 得： 马魄- m ) = f 阮h + 呸) + ，司d y ， ( 2 5 ) 将( 2 - 2 ) 式、( 2 - 3 ) 式和( 2 4 ) 式代入( 2 - 5 ) 式，得到d 3 为： b = 型哥沪， ( 2 6 ) 式中：一为p z t 薄膜的中间层与探针中性层的距离。微探针弯曲变形产生的压 电电荷量印等于p z t 薄膜与上电极层界面上电位移矢量d j 的积分； q = f d 3 ，d x ， o ( 2 - 7 ) 式中：w 为探针宽度。定义电荷灵敏度s 为微探针自由端单位挠度弯曲变形产生 的压电电荷量，结合( 2 6 ) 式和( 2 7 ) 式，得到s 为： s = 煞丝西1 乙， (28)21 ( 1 一们 ” 电荷灵敏度s 正比于探针宽度，而与探针长度成反比。超高密度存储中，为 了减小探针针尖的磨损，提高读写头的寿命，要求探针具有较低的刚度m 。探针 刚度与探针宽度成正比，与探针长度的三次方成反比，增大探针宽度、减小探针 长度来提高电荷灵敏度s 的方法受至u 探针低刚度条件的限制。以压电微探针低刚 度设计为前提，本文接下来研究探针长宽尺寸一定时，通过提高p z t 薄膜中间层 与探针中性层的距离圪。用p z t 薄膜等效横向压电系数西j 来提高电荷灵敏度。 1 2 中国科学技术大学磺士学位论文第二章基于压电探针阵列的超高密度存储表面信息读取 2 3 优化探针结构设计提高电荷灵敏度 电荷灵敏度s i e l | ：于p z t 薄膜中间层与探针中性层的距离玩。， 的压电微探针，计算比。为： k 一鬻， 对多层结构 ( 2 - 9 ) 式中：局为第i 层薄膜的杨氏模量，耳为第i 层薄膜的中间层与p z t 薄膜中间层的距 离，乃为第i 层薄膜的厚度。 表2 1 压电微探针各功能层的参数嘲 超高密度存储中，为了保证探针低刚度以减小探针针尖磨损，探针设计时大 幅度减小了各层材料的厚度。根据表1 中压电微探针各层材料的参数，由( 2 9 ) 式，得到y 。m 为1 4 2 r i m 。保持其它层材料厚度不变，分析了分别改变压电层p z t 薄膜的厚度和改变结构层s i 3 n 4 薄膜的厚度对y 岛。的影响。提高p z t 层的厚度对 于k 一只有缓慢的增长( 图2 4a ) ，而提高结构层s i 3 n 4 薄膜的厚度对y a 。，有相对 较快的线性增长( 图2 4b ) 。由于增加了探针厚度，两者在提高电荷灵敏度5 的同 时也都会带来探针刚度的提高，从而加剧探针针尖磨损。 中国科学技术大学硕士学位论文第二章基于压电探针阵列的超高密度存储表面信息读取 压电寡w 犀度晰】 ( a ) 改变压电层p z t 厚度 结构层氟化硅厚度m 】 ( b ) 改变结构层s i 灿厚度 图2 4 探针功能层厚度对比。的影响 目 锄工艺 d 血a u e 口口f 口 g 辫；$ # p t lg “ 亡= 9 芦譬暑譬警罱冀蕾霉警墨雹 l( o l 雷，自 户旧俨 图2 5 加工工艺流程示意图 钝化层的存在使得探针中性层向p z t 中间层靠近，减小了l 。，从而会降低电 荷灵敏度。图2 4 中同时给出了去除钝化层的情况下。，随探针功能层厚度的变 化，可以看到，去除钝化层对y 。有一个明显的提高。按照表1 中压电微探针的 1 4 中国科学技术大学硕士学位论文第二章基于压电探针阵列的超高密度存储表面信息读取 设计参数，去除钝化层后得到的玩。为2 1 7 r i m ，相比钝化层去除前的结果1 4 2 r i m ， 比。簇高了约5 0 。为了消除钝化层对电荷灵敏度的不利影响，并同时完成上下 电极的引出，改进了钝化层的设计。图2 5 中，p z t 薄膜图形化并沉积钝化层 s i 3 n 4 后( b ) ，相比于改进前的设计，钝化层s i 3 n 4 薄膜图形化时，只保留探针固定 端延伸出的p z t 上覆盖的s i 3 n 4 ，探针悬空部分的s i 3 n 4 和电极引出窗口的s i 3 n 4 同 时被刻蚀掉( c ) 随后的电极引出层如果采用改进前的沉积金属层再图形化的方 式，很可能在探针悬空部分造成p z t 上下电极导通，这里改用i i f t o 缸艺直接得 到图形化的金属层将电极引出( d ) 。由于减小了压电探针的厚度，改进钝化层设 计在提高电荷灵敏度s 的同时也为探针的低刚度设计留下了更多的空间 2 4 增强等效横向压电系数西j 提高电荷灵敏度 压电微探针读取纳米数据坑的电荷灵敏度与p z t 薄膜的等效横向压电系数 d 3 1 成正比，高电荷灵敏度要求薄膜具有优异的压电性能。p z t 薄膜为多晶结构， 各晶粒的取向不同，制备沿( 1 0 0 ) 晶向高度择优取向的p z t 薄膜是保证薄膜压 电性能的基础。未经极化处理的p z t 薄膜由于内偏场导致的自发极化定向已经 具有明显的压电响应；i lj n a m 等人通过极化处理提高p z t 薄膜的剩余极化强 度，将压电微探针的电荷灵敏度从0 4 f c m 提高n 0 6 1 s f c n m o ”。本文在压电电 荷读取电路中引入直流偏置电压，进一步促使p z t 薄膜各晶粒内部电畴的自发极 化转向，通过提高p z t 薄膜等效横向压电系数西，来提高微探针的电荷灵敏度。如 图2 6 所示，探针阵列里各探针的p z t 薄膜下电极连接到公共的低噪声直流偏置 电压基准，上电极作为各自电荷放大读出电路的输入端。基于正压电效应啵一， 实验研究了通过引入直流偏置电压对p z t 薄膜等效横向压电系数西，的提高。 一 图2 6 压电电荷读取电路示意图 中国科学技术大学硕士学位论文第二章基于压电探针阵列的超高密度存储表面信息读取 采用溶胶凝胶法( s o l - g e l ) 在硅片悬臂梁上制各了沿( 1 0 0 ) 晶向高度择优取向 的p z t 薄膜，通过硅片悬臂梁的微振动在p z t 薄膜上产生l 肝a 左右的应力，模拟 微探针读取纳米数据坑时p z t 薄膜上的应力情况。图2 7 中，信号发生器产生交 流电压激励压电双晶片梁振动，由压电双晶片梁驱动硅片悬臂梁微振动，该振动 通过激光多普勒测振仪( m l d 2 8 2 1 ，n e o a r ki n c ) 测出。电荷放大器检测硅片悬臂 梁振动产生的交变应力在p z t 薄膜上产生的压电电荷。整个实验在隔振气浮平台 上进行。由正压电效应，并根据材料力学中对悬臂梁纯弯曲问题的分析，推导出 p z t 薄膜的等效横向压电系数西，为： 以l = 2 q * l 2 3 s * e e z r * h * e 口b ， ( 2 一l 。)以1 2 ( 2 一l o ) 式中：口为压电电荷，5 为悬臂梁固定端附近图形化的p z t 薄膜的面积，e p z r 为p z t 薄膜杨氏模量，三为硅片悬臂梁长度，助硅片厚度，蛐为激光多普勒测得的悬 臂梁振幅。 日m 图2 7p z t 薄膜西j 测量实验原理图 应方d 训 茹鬣” 岫t 1 图2 8l u m 振动下交变应力随振动频率的变化 1 6 中国科学技术大学硕士学位论文第二章基于压电探针阵列的超高密度存储表面信息读取 ( 2 一1 0 ) 式中，使用了硅片悬臂梁自由端静态弯曲变形产生的应力计算函j 。 实际测量时硅片悬臂粱处于微振动状态，利用a n s y s 软件分析了硅片悬臂梁自由 端单位振幅微振动在悬臂梁固定端上表面产生的交交应力随振动频率的变化。 ( 如图2 8 所示) ，分析结果表明在0 7 倍硅片悬臂梁谐振频率下( 谐振频率为 4 6 z ) 仍可以用静态弯曲变形产生的应力来计算西，。 麓片 r 鬻皇却i ，h 薯呻日 图2 9 p z t 压电电荷v s 硅片自由端振幅 图2 9 为3 k i i z 频率下，改变信号发生器施加在压电双晶片梁上的激励电压幅 度，电荷放大器测得的压电电荷随硅片悬臂梁自由端振幅变化的曲线，两者成较 好的线性关系。p z t 薄膜的西在l 肝a 的应力范围内为常量，说明压电读取方式中， 压电电荷量可以线性的反映微探针扫描存储介质表面时的弯曲变形。由( 2 - i o ) ；j-7一-、6、-、，1- l 百矿矿磊矿矿磊 图2 1 0 为改变交流驱动电压频率，根据锁相放大器直接钡t p z t 薄膜两端电压 得到的压电电荷与激光多普勒测振仪测得的硅片悬臂梁自由端振幅之比得到的 中国科学技术大学硕士学位论文第二章基于压电探针阵列的超高密度存储表面信息读取 西，频率特性。实验测得在5 h z - 3 k h z 范围，西j 基本保持常量。根据图2 8 中a n s y s 有限元分析的结果，本实验只适合在0 7 倍悬臂梁谐振频率下测量p z t 薄膜西j ， 测量更高频率范围的西特性需要使用谐振频率更高的悬臂梁。5 h z 低频下函j 仍保 持常量，可知p z t 薄膜变形产生的压电电荷通过空气、探针各功能层等途径的泄 漏非常缓慢，存储系统中电荷放大读取电路的时间常数将决定压电电荷的泄放时 间。 图2 1 l 施加直流偏压时的测量示意图 实验测量了施加直流偏压对p z t 薄膜等效横向压电系数西j 的提高( 测量原理 如图2 1 1 所示) 。测量时，硅片悬臂梁保持稳定的振动，只改变p z t 薄膜两端的 直流偏压。普通的直流电压源噪声较大，电荷放大器反馈电容很小时，容易使电 荷放大器饱和，这里通过锁相放大器l 1 5 6 3 0 ( n fi n c ) 来测量振动导致的压电电 荷在p z t 薄膜等效电容上产生的交变电压。串联1 0 0 k 欧电阻是因为l 1 5 6 3 0 的输入 量程为1 伏，不能直接将其接在加了偏压的p z t 薄膜两端。 o , i o 7 直流电场g 啵 k v e m 图2 1 2 单畴化提高等效横向压电系数西， 中国科学技术大学硕士学位论文第二章基于压电探针阵列的超高密度存储表面信息读取 图2 1 2 为硅片悬臂粱保持稳态振动，在相同的p z t 薄膜应力情况下，改变p z t 薄膜两端的直流偏置电压。测得的等效横向压电系数西，的滞回曲线。对l u m 厚的 p z t 薄膜，施加直流偏置电压0 - 1 0 v ，等效横向压电系数西，从- 4 $ p c n 提高到 1 2 0 p c n 。极化处理难以对f z t 薄膜进行完全的单畴化啪1 ，极化后压电薄膜的剩 余极化强度仍低于其饱和极化强度。施加直流偏压可以对p z t 薄膜进行更彻底的 单畴化处理，提高其等效横向压电系数西j ，使得微探针扫描经过相同的数据坑 弯曲变形时产生更大的压电电荷，提高了读取的电荷灵敏度。对1 0 0 u m x 5 0 u m 的压电微探针，由( 2 - 8 ) 式，引入直流偏置电压后压电微探针的电荷灵敏度从 1 2 f c n m 提高到2 9 f c n m 。低噪声直流电压基准的噪声波动在l u v 以内嘲，该噪 声通过探针p z t 薄膜约1 0 0 p f 的等效电容引入的等效噪声电荷为0 1 f c ，远低于数 据信号的幅度，不影响数据坑的读取。 2 5 本章小结 本章针对超高密度信息存储中压电方式读取纳米数据坑面临的信噪比不商 的问题，根据对压电微探针弯曲变形的电荷灵敏度的分析，指出优化上电极钝化 层的设计可以在保证探针低刚度的前提下实现对电荷灵敏度的提高，并相应的改 进了探针加工工艺流程；基于正压电效应，实验验证了施加直流偏置电压对f z t 薄膜等效横向压电系数西，的提高，并在电荷放大读取电路中引入直流偏置电压 来进一步提高电荷灵敏度。研究工作有助于存储密度进一步提高时使用压电读取 方式分辨更小的数据坑。 1 9 中国科学技术大学硕士学位论文第三章轻敲模式压电探针信号的检测方法与实现 第三章轻敲模式压电探针信号的检测方法与实现 3 1 轻敲模式压电探针工作原理 原子力显微镜 a f m 主要有三种检测模式；接触模式 c o n t a c tm o d e ，非接 触模式 n o n c o n t a c t m o d e 和轻敲模式 t a p p i n g m o d e 。图3 i 比较了a f m 的不 同成像模式。 戚a t * i 秉 l 一二手= 广 图3 1a 蹦三种成像模式比较 a f l l 在接触模式下工作时，其探针始终压在样品表面，扫描速度快，但横向 力以及针尖一样品表面间的粘附力很容易毁坏样品本来的表面形貌，导致图像数 据出现假象，并会对针尖产生较大的损害，适合检测垂直方向上有明显变化的硬 质样品。 非接触模式中，微探针在样品表面上方5 - 2 0 n m 距离处扫描。探针在稍高于 其共振频率的频率上振动，通常其振幅小于l o n m ，针尖一样品间的相互作用力是 很弱盼长程力范德华吸引力。由于不和样品接触，探针对样品表面形貌没有 影响，但由于针尖和样品表面分离，导致横向分辨率较低。同时为了避免接触样 品表面吸附液层导致针尖胶粘，其扫描速度是三种模式中最低的。由于非接触模 式通常要求样品表面的吸附液层很薄，其应用受到一定的限制。 轻敲模式介于接触模式和非接触模式之间，探针针尖与样品表面只有短暂的 间歇式接触，微探针通常在共振频率上做2 0 n m - l o o n m 的微振动。样品表面高低 2 0 中国科学技术大学硕士学位论文第三章轻敲模式压电探针信号的检测方法与实现 起伏导致微探针的振动发生变化，通过检测探针振动情况来表征样品表面信息。 轻敲模式大大降低了横向力和粘附力，对样品表面损伤较小，并对针尖损耗相对 较小，图像分辨率可以达到亚纳米级，特别适用于检测生物样品及其它柔软、易 碎、粘附性较强的样品。 图3 2 基于f z t 薄膜的压电微探针结构示意图 图3 2 为基于p z t 薄膜的压电微探针结构示意图，微探针$ s i 0 2 结构层、p t t i 下电极、p z t 传感驱动功能层、a u c r 上电极以及氮化硅电极钝化层组成。由于 p z t 薄膜具有正压电效应和逆压电效应，压电微探针可以实现自驱动和自检测。 具体的，在探针p z t 薄膜上下电极间施加交流驱动电压，由逆压电效应，p z t 薄膜 内部在探