雙端音叉掃描探針測(cè)頭系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種雙端音叉掃描探針測(cè)頭系統(tǒng),由剛性支承、雙端音叉和鎢探針構(gòu)成。剛性支承為整個(gè)掃描探針測(cè)頭系統(tǒng)的剛性支承件,用于固定整個(gè)測(cè)頭機(jī)構(gòu),并對(duì)雙端音叉的一個(gè)叉端形成全約束。雙端音叉的一個(gè)叉端連接于剛性支承底面,另一叉端作為自由端且下方底面正中間固定設(shè)置大長(zhǎng)徑比鎢探針。本實(shí)用新型可用于對(duì)軟材料等表面的高分辨率、非破壞性測(cè)量,并可用于對(duì)微溝槽、微臺(tái)階等具有大深寬比微器件的表面形貌掃描。
【專利說明】雙端音叉掃描探針測(cè)頭系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及微納米測(cè)頭領(lǐng)域,具體是一種雙端音叉掃描探針測(cè)頭系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 納米器件、生物材料等的特征尺寸及物理特性要求表面形貌測(cè)量不僅要具有納米 量級(jí)的測(cè)量分辨率,還要求測(cè)量力盡可能小。以原子力顯微鏡(AFM)等為代表的掃描探針 顯微鏡(SPM)具有納米級(jí)解析度,是目前廣泛應(yīng)用于微觀尺度表面形貌測(cè)量的高分辨率儀 器。但測(cè)頭的探針有效長(zhǎng)度僅數(shù)微米,不適合大深寬比微臺(tái)階、微溝槽等微結(jié)構(gòu)表面的測(cè) 量。因此為了解決這個(gè)問題,還要求掃描測(cè)頭探針的典型尺寸具有較大的有效長(zhǎng)度。
[0003] 高分辨率對(duì)應(yīng)于高靈敏度,即要求微納米測(cè)頭系統(tǒng)應(yīng)具有較高品質(zhì)因數(shù),同時(shí)測(cè) 頭系統(tǒng)的穩(wěn)定性,包括結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和測(cè)量過程穩(wěn)定性,是實(shí)現(xiàn)有效測(cè)量的必要因素?,F(xiàn)有微 納米測(cè)頭一般有接觸式測(cè)頭和非接觸式測(cè)頭。二者在各自測(cè)量領(lǐng)域各有優(yōu)點(diǎn),但受限于自 身結(jié)構(gòu)或物理特性又各有不足。 實(shí)用新型內(nèi)容
[0004] 本實(shí)用新型的目的是提供一種雙端音叉掃描探針測(cè)頭系統(tǒng),以解決現(xiàn)有技術(shù)存在 的問題。
[0005] 為了達(dá)到上述目的,本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案為:
[0006] 雙端音叉掃描探針測(cè)頭系統(tǒng),其特征在于:包括有剛性支承和雙端音叉,所述雙 端音叉由兩個(gè)叉端和連接兩個(gè)叉端的叉臂對(duì)構(gòu)成,雙端音叉的一個(gè)叉端連接在剛性支承底 面,另一各叉端為自由端;叉臂對(duì)中兩個(gè)叉臂分別垂直于剛性支承底面并沿堅(jiān)向并行設(shè)置; 雙端音叉的自由端下方底面正中間固定有鎢探針。
[0007] 所述的雙端音叉掃描探針測(cè)頭系統(tǒng),其特征在于:所述雙端音叉的叉臂對(duì)四周設(shè) 置有電極,通過電極激勵(lì)雙端音叉諧振。
[0008] 所述的雙端音叉掃描探針測(cè)頭系統(tǒng),其特征在于:雙端音叉的振動(dòng)方式為,在電極 的激勵(lì)下兩個(gè)叉臂沿厚度方向反相彎曲振動(dòng)。
[0009] 所述的雙端音叉掃描探針測(cè)頭系統(tǒng),其特征在于:雙端音叉由石英晶體制備,切型 選擇與振動(dòng)模式及工作頻率相關(guān),彎曲振動(dòng)模式下XY切型對(duì)應(yīng)頻率范圍1?80KHZ,NT切 型對(duì)應(yīng)頻率范圍40?ΙΟΟΚΗζ ;所述雙端音叉選擇XY切型、5°切角,且叉臂長(zhǎng)度沿石英晶 體y軸方向,寬度沿石英晶體z方向,厚度沿石英晶體X軸方向,即采用(xyt)5°切型切角 結(jié)構(gòu)。
[0010] 所述的雙端音叉掃描探針測(cè)頭系統(tǒng),其特征在于:雙端音叉的諧振頻率與 其幾何尺寸相關(guān),即可通過改變叉臂的長(zhǎng)度、寬度、厚度調(diào)節(jié)雙端音叉的諧振頻率及 力頻系數(shù),所述雙端音叉諧振頻率以及力頻系數(shù)與其幾何尺寸的相關(guān)關(guān)系式分別為: m2w I i (j2s'、 ./ = ~一τζ - > S = 0.0717 ^ ;其中f為雙端首叉的基頻,S為其力頻系數(shù), 2π?" ]j I2ps2, tw J l、w、t分別為兩個(gè)叉臂的長(zhǎng)度、寬度、厚度,m為與邊比有關(guān)的系數(shù),p為石英材料的密度, s' 22為石英的彈性柔順常數(shù)。
[0011] 所述的雙端音叉掃描探針測(cè)頭系統(tǒng),其特征在于:雙端音叉兩個(gè)叉臂上電極的設(shè) 置采用叉臂四周分割法布置電極方式,使沿叉臂長(zhǎng)度方向的電極在叉臂主面和側(cè)面上的零 應(yīng)力點(diǎn)波節(jié)處改變極性。
[0012] 本實(shí)用新型利用石英晶體的壓電效應(yīng)、雙端音叉的結(jié)構(gòu)對(duì)稱性和高品質(zhì)因數(shù)特 性、諧振狀態(tài)雙端音叉對(duì)軸向微小外力的高敏感特性,制備石英晶體材料的雙端音叉,與大 長(zhǎng)徑比鎢探針結(jié)合,構(gòu)建雙端音叉掃描探針測(cè)頭系統(tǒng)。叉臂四周分割法布置電極,激勵(lì)雙端 音叉的兩個(gè)叉臂沿厚度方向反相彎曲振動(dòng),雙端音叉自由端底面固定設(shè)置的鎢探針在堅(jiān)直 Z方向上以接觸模式與試樣輕觸,通過檢測(cè)雙端音叉的諧振信號(hào)(諧振頻率或諧振相位)的 變化表征鶴探針尖端與試樣表面的碰觸程度,實(shí)現(xiàn)對(duì)試樣表面微觀形貌的掃描測(cè)量。
[0013] 與已有技術(shù)相比,本實(shí)用新型的有益效果體現(xiàn)在:
[0014] 1、本實(shí)用新型采用整個(gè)雙端音叉作為鎢探針的懸臂梁,同時(shí)作為軸向微力傳感 器,并將鎢探針固定設(shè)置于雙端音叉自由端下方底面正中間,整體結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化,且避免了 結(jié)構(gòu)不對(duì)稱造成的能量泄露、品質(zhì)因數(shù)降低等問題,保證了結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性、系統(tǒng)穩(wěn)定性及緊 湊性。
[0015] 2、本實(shí)用新型采用的雙端音叉,其諧振頻率與自身幾何尺寸相關(guān),即可通過改變 叉臂的長(zhǎng)度、寬度、厚度調(diào)節(jié)雙端音叉的諧振頻率及力頻系數(shù),使測(cè)頭系統(tǒng)可滿足可能的應(yīng) 用場(chǎng)合特定頻率要求,具有靈活性。
[0016] 3、本實(shí)用新型雙端音叉采用了石英晶體的最優(yōu)切型切角結(jié)構(gòu)(xyt) 5° ,保證了雙 端音叉測(cè)頭零溫度系數(shù)的同時(shí)具有較大壓電常數(shù)、較小的交叉彈性柔順系數(shù),使雙端音叉 測(cè)頭具備保證系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的各項(xiàng)特征參數(shù)。
[0017] 4、本實(shí)用新型的測(cè)量方法是采用叉臂四周分割法布置電極,激勵(lì)雙端音叉的兩個(gè) 叉臂沿厚度方向反相彎曲振動(dòng),兩個(gè)叉臂的振動(dòng)相差180°,在它們的合并區(qū)域產(chǎn)生的應(yīng)力 和力矩方向相反,互相抵消,因此整個(gè)結(jié)構(gòu)通過固定連接端與外界的能量耦合小,具有自 隔振特性,振動(dòng)系統(tǒng)的能量損失小,具有較高的品質(zhì)因數(shù),保證了測(cè)頭系統(tǒng)在諧振狀態(tài)下 對(duì)微小軸向力的高靈敏性,即最終實(shí)現(xiàn)對(duì)試樣表面的高分辨率掃描測(cè)量。
[0018] 5、本實(shí)用新型采用檢測(cè)鎢探針與試樣表面接觸過程中雙端音叉叉臂的諧振信號(hào) (諧振頻率或諧振相位)的變化作為反饋量,省去了 A/D轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié),后續(xù)信號(hào)處理部分大 大簡(jiǎn)化,使測(cè)頭系統(tǒng)功能具有易實(shí)現(xiàn)性。且采用鎢探針與試樣表面間歇接觸的逐點(diǎn)掃描測(cè) 量方法,每掃描一點(diǎn)均退回試樣,既保護(hù)鎢探針針尖免受損傷,又保證了低測(cè)量力的要求, 可用于對(duì)軟材料等表面的非破壞性測(cè)量;或鎢探針與試樣表面持續(xù)接觸的逐行掃描測(cè)量方 法,每掃描一行退回試樣,保證了測(cè)量的高精度。
[0019] 6、本實(shí)用新型采用具有大長(zhǎng)徑比的鎢探針,可用于對(duì)微溝槽、微臺(tái)階等具有大深 寬比微器件的表面形貌掃描。
[0020] 7、本實(shí)用新型采用的雙端音叉理論上具有基頻、二次泛音、三次泛音振動(dòng)模態(tài),采 用本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu),激勵(lì)雙端音叉兩個(gè)叉臂于二次或三次泛音振動(dòng)模,可用于特定 場(chǎng)合實(shí)現(xiàn)接觸式高階掃描測(cè)量。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021] 圖1為本實(shí)用新型整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)工作示意圖。
[0022] 圖2為本實(shí)用新型雙端音叉石英晶片切型方位示意圖。
[0023] 圖3為本實(shí)用新型雙端音叉外觀示意圖。
[0024] 圖4為本實(shí)用新型雙端音叉基頻厚度彎曲振動(dòng)模態(tài)示意圖。
[0025] 圖5為本實(shí)用新型雙端音叉叉臂諧振狀態(tài)頻率及與試樣輕觸時(shí)頻率偏移示意圖。
[0026] 圖6為本實(shí)用新型雙端音叉二次、三次泛音振動(dòng)模態(tài)示意圖,其中:
[0027] 圖6a為本實(shí)用新型雙端音叉二次泛音振動(dòng)模態(tài)示意圖,圖6b為本實(shí)用新型雙端 音叉三次泛音振動(dòng)模態(tài)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028] 如圖1所示,雙端音叉掃描探針測(cè)頭系統(tǒng),包括有剛性支承1和雙端音叉2,雙端音 叉2由兩個(gè)叉端21和連接兩個(gè)叉端的叉臂對(duì)構(gòu)成,雙端音叉2的一個(gè)叉端21連接在剛性 支承1底面,另一個(gè)叉端21為自由端;叉臂對(duì)中兩個(gè)叉臂22分別垂直于剛性支承1底面并 沿堅(jiān)向并行設(shè)置;雙端音叉1自由端下方底面正中間固定有鎢探針3。
[0029] 雙端音叉2的叉臂對(duì)四周設(shè)置有電極4,通過電極4激勵(lì)雙端音叉1諧振。
[0030] 雙端音叉2的振動(dòng)方式為,在電極4的激勵(lì)下兩個(gè)叉臂22沿厚度方向反相彎曲振 動(dòng)。
[0031] 雙端音叉2由石英晶體制備,切型選擇與振動(dòng)模式及工作頻率相關(guān),彎曲振動(dòng)模 式下XY切型對(duì)應(yīng)頻率范圍1?80KHz,NT切型對(duì)應(yīng)頻率范圍40?ΙΟΟΚΗζ ;所述雙端音叉 2選擇XY切型、5°切角,且叉臂長(zhǎng)度沿石英晶體y軸方向,寬度沿石英晶體z方向,厚度沿 石英晶體X軸方向,即采用(xyt) 5°切型切角結(jié)構(gòu),如圖2所示。
[0032] 雙端音叉2的諧振頻率與其幾何尺寸相關(guān),即可通過改變叉臂22的長(zhǎng)度、寬度、厚 度調(diào)節(jié)雙端音叉2的諧振頻率及力頻系數(shù)。所述雙端音叉2諧振頻率以及力頻系數(shù)與其幾 π?" \ν I ? (1's'、 何尺寸的相關(guān)關(guān)系式分別為:/" = ^一τι廠,= 0.0717 -『;其中f為雙端首 2π/-]/12ρ/22 { tw J 叉2的基頻,S為其力頻系數(shù),l、w、t分別為兩個(gè)叉臂22的長(zhǎng)度、寬度、厚度,m為與邊比有 關(guān)的系數(shù),P為石英材料的密度,s' 22為石英的彈性柔順常數(shù)。
[0033] 雙端音叉2兩個(gè)叉臂22上電極4的設(shè)置采用叉臂四周分割法布置電極方式,使沿 叉臂22長(zhǎng)度方向的電極在叉臂22主面23和側(cè)面24上的零應(yīng)力點(diǎn)波節(jié)處改變極性,如圖 3所示。
[0034] 一種基于雙端音叉掃描探針測(cè)頭系統(tǒng)的掃描測(cè)量方法,通過叉臂22四周分割法 布置電極4,激勵(lì)雙端音叉2兩個(gè)叉臂22沿厚度方向反相彎曲振動(dòng);設(shè)置所述雙端音叉2 自由端底面固定設(shè)置的鎢探針3在堅(jiān)直Z方向上以接觸模式與試樣5碰觸,檢測(cè)雙端音叉 2諧振信號(hào)6的變化以表征所述鶴探針3尖端與試樣5表面的碰觸程度。
[0035] 雙端音叉2對(duì)軸向力極為敏感,故雙端音叉描探針測(cè)頭系統(tǒng)在Z向具有極高靈敏 度。
[0036] 諧振彳目號(hào)6為雙〗而首叉2的諧振頻率或諧振相位。
[0037] 采用鎢探針3與試樣5表面間歇接觸的逐點(diǎn)掃描測(cè)量方法,或鎢探針3與試樣5 表面持續(xù)接觸的逐行掃描測(cè)量方法。
[0038] 參見圖1,本實(shí)用新型雙端音叉掃描探針測(cè)頭系統(tǒng)主要由剛性支承1、雙端音叉2 和鎢探針3構(gòu)成。剛性支承1為整個(gè)掃描探針測(cè)頭系統(tǒng)的剛性支承件,用于固定整個(gè)測(cè)頭 機(jī)構(gòu),對(duì)雙端音叉2的一個(gè)叉端21形成全約束。雙端音叉2的另一個(gè)叉端21為自由端,該 叉端21底面正中間下方固定設(shè)置大長(zhǎng)徑比鎢探針3。其中雙端音叉2由一定切型的石英晶 體制備而成,整個(gè)雙端音叉2作為鎢探針3的懸臂梁,同時(shí)作為軸向微力傳感器。
[0039] 參見圖2,設(shè)置雙端音叉2叉臂22長(zhǎng)度沿石英晶體y軸方向,寬度沿石英晶體 z方向,厚度沿石英晶體X軸方向,晶片繞厚度沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的,即雙端音叉2采用 (xyt) 5°切型切角結(jié)構(gòu)石英晶體制備而成。
[0040] 參見圖3,雙端音叉2的叉臂22長(zhǎng)度、寬度、厚度分別為1、w、t。設(shè)置雙端音叉2 表征叉臂22寬度w和長(zhǎng)度1的上下表面為叉臂22的主面23,表征叉臂22厚度t和長(zhǎng)度1 的左右表面為叉臂22的側(cè)面24。以叉臂22四周分割法布置電極4,且使沿叉臂22長(zhǎng)度1 方向的電極4在叉臂22主面23和側(cè)面24上的零應(yīng)力點(diǎn)波節(jié)處改變極性,參見圖1,雙端音 叉2叉臂22主面23上黑色標(biāo)識(shí)電極41與白色標(biāo)識(shí)電極42極性相反;以同樣方法設(shè)置叉 臂22側(cè)面24電極4,激勵(lì)雙端音叉2的兩個(gè)叉臂22沿厚度方向反相彎曲振動(dòng)。參見圖4, 為本實(shí)用新型雙端音叉掃描探針測(cè)頭系統(tǒng)主訴以基頻諧振振動(dòng)示意圖,雙端音叉2的兩個(gè) 叉臂22在電極4激勵(lì)下沿厚度t方向產(chǎn)生等頻等幅的反相彎曲振動(dòng)。
[0041] -種基于雙端音叉掃描探針測(cè)頭系統(tǒng)的掃描測(cè)量方法如下:
[0042] 水平放置試樣5。采用叉臂22四周分割法設(shè)置電極4,激勵(lì)雙端音叉2兩個(gè)叉臂 22沿厚度t方向等頻等幅反相彎曲振動(dòng)。設(shè)置雙端音叉2作為自由端的叉端21底面固定 設(shè)置的鎢探針3在堅(jiān)直Z方向上以接觸模式與試樣5輕觸。根據(jù)諧振雙端音叉2對(duì)軸向微 力極為靈敏的特性,當(dāng)鎢探針3尖端與試樣5表面發(fā)生輕觸,由于鎢探針3尖端與試樣5表 面之間的微觀力場(chǎng)作用,產(chǎn)生作用于雙端音叉2的軸向負(fù)載,導(dǎo)致雙端音叉2叉臂22的諧 振信號(hào)6改變,即諧振頻率及諧振相位的偏移。參見圖5,雙端音叉2叉臂22諧振狀態(tài)頻率 及與試樣5輕觸時(shí)頻率偏移示意圖,當(dāng)鎢探針3尖端與試樣5表面之間的微觀力場(chǎng)進(jìn)入引 力區(qū)域,諧振頻率左移,由自由諧振頻率 ω〇減小為ω i,諧振頻率偏移Δ ω i ;當(dāng)鶴探針3尖 端與試樣5表面之間的微觀力場(chǎng)進(jìn)入斥力區(qū)域,諧振頻率右移,由自由諧振頻率ω(ι增大為 ω2,諧振頻率偏移Λ ω2 ;故檢測(cè)雙端音叉2叉臂22諧振信號(hào)6的變化作為反饋量,以表征 鎢探針3尖端與試樣5表面的碰觸程度,結(jié)合后續(xù)信號(hào)處理電路及控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)試樣5 表面微觀形貌的掃描測(cè)量。設(shè)置測(cè)頭系統(tǒng)工作時(shí),X方向?yàn)樗矫鎯?nèi)橫向方向。采用鎢探 針3與試樣5表面間歇接觸的逐點(diǎn)掃描測(cè)量方法,每掃描一點(diǎn)均使試樣5沿Ζ向退回初始 位置,再控制試樣5沿X方向前進(jìn)一個(gè)行步進(jìn)量進(jìn)行下一點(diǎn)接觸掃描;或鎢探針3與試樣5 表面持續(xù)接觸的逐行掃描測(cè)量方法,每掃描一行使試樣5沿Ζ向退回初始位置,再沿Υ向前 進(jìn)一個(gè)列步進(jìn)量進(jìn)行下一行接觸掃描。
[0043] 本實(shí)用新型采用的雙端音叉2理論上具有基頻、二次泛音、三次泛音振動(dòng)模態(tài),本 實(shí)用新型雙端音叉掃描探針測(cè)頭系統(tǒng)主訴基于基頻的掃描測(cè)量。參見圖6a、圖6b,分別為 雙端音叉2在二次泛音、三次泛音振動(dòng)模態(tài)下兩個(gè)叉臂22沿厚度t方向等頻等幅反相彎曲 振動(dòng)示意圖,采用本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu),激勵(lì)雙端音叉2兩個(gè)叉臂22于二次或三次泛音 振動(dòng)模,可用于特定場(chǎng)合實(shí)現(xiàn)接觸式高階掃描測(cè)量。
【權(quán)利要求】
1. 雙端音叉掃描探針測(cè)頭系統(tǒng),其特征在于:包括有剛性支承和雙端音叉,所述雙端 音叉由兩個(gè)叉端和連接兩個(gè)叉端的叉臂對(duì)構(gòu)成,雙端音叉的一個(gè)叉端連接在剛性支承底 面,另一個(gè)叉端為自由端;叉臂對(duì)中兩個(gè)叉臂分別垂直于剛性支承底面并沿堅(jiān)向并行設(shè)置; 雙端音叉的自由端下方底面正中間固定有鎢探針。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙端音叉掃描探針測(cè)頭系統(tǒng),其特征在于:所述雙端音叉的 叉臂對(duì)四周設(shè)置有電極,通過電極激勵(lì)雙端音叉諧振。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙端音叉掃描探針測(cè)頭系統(tǒng),其特征在于:雙端音叉的振動(dòng) 方式為,在電極的激勵(lì)下兩各叉臂沿厚度方向反相彎曲振動(dòng)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙端音叉掃描探針測(cè)頭系統(tǒng),其特征在于:雙端音叉由石英 晶體制備,切型選擇與振動(dòng)模式及工作頻率相關(guān),彎曲振動(dòng)模式下XY切型對(duì)應(yīng)頻率范圍 1?80KHz,NT切型對(duì)應(yīng)頻率范圍40?ΙΟΟΚΗζ;所述雙端音叉選擇XY切型、5°切角,且 叉臂長(zhǎng)度沿石英晶體y軸方向,寬度沿石英晶體z方向,厚度沿石英晶體X軸方向,即采用 (xyt)5°切型切角結(jié)構(gòu)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙端音叉掃描探針測(cè)頭系統(tǒng),其特征在于:雙端音叉的諧 振頻率與其幾何尺寸相關(guān),即可通過改變叉臂的長(zhǎng)度、寬度、厚度調(diào)節(jié)雙端音叉的諧振頻 率及力頻系數(shù),所述雙端音叉諧振頻率以及力頻系數(shù)與其幾何尺寸的相關(guān)關(guān)系式分別為: 廣 /772 W' I 1 " 八,….門'/'V二、 / = t-rJ-廠,5 = 0.0717 ;其中f為雙端音叉的基頻,S為其力頻系數(shù),1、 2π? ]jUps22 { tw3 J W、t分別為音叉叉臂長(zhǎng)度、寬度、厚度,m為與邊比有關(guān)的系數(shù),P為石英材料的密度,22 為石英的彈性柔順常數(shù)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙端音叉掃描探針測(cè)頭系統(tǒng),其特征在于:雙端音叉兩個(gè)叉 臂上電極的設(shè)置采用叉臂四周分割法布置電極方式,使沿叉臂長(zhǎng)度方向的電極在叉臂主面 和側(cè)面上的零應(yīng)力點(diǎn)波節(jié)處改變極性。
【文檔編號(hào)】G01Q70/00GK203909069SQ201420313822
【公開日】2014年10月29日 申請(qǐng)日期:2014年6月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月12日
【發(fā)明者】余惠娟, 黃強(qiáng)先, 韓彬, 胡小娟, 張蕤 申請(qǐng)人:合肥工業(yè)大學(xué)