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雙端音叉掃描探針測頭系統及其測量方法
【專利摘要】本發明公開了一種雙端音叉掃描探針測頭系統及其測量方法，由剛性支承、雙端音叉和鎢探針構成。剛性支承為整個掃描探針測頭系統的剛性支承件，用于固定整個測頭機構，并對雙端音叉的一個叉端形成全約束。雙端音叉的一個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置大長徑比鎢探針。本發明方法采用四周分割法在放置電極，激勵雙端音叉兩個叉臂沿厚度方向反相彎曲振動。設置鎢探針在豎直Z方向上以接觸模式與試樣碰觸，檢測叉臂諧振信號的變化以表征所述鎢探針尖端與試樣表面的碰觸程度。本發明可用于對軟材料等表面的高分辨率、非破壞性測量，并可用于對微溝槽、微臺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頭系統及其測量方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及微納米測頭領域，具體是一種雙端音叉掃描探針測頭系統及其測量方法。
【背景技術】
[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量不僅要具有納米量級的測量分辨率，還要求測量力盡可能小。以原子力顯微鏡(AFM)等為代表的掃描探針顯微鏡(SPM)具有納米級解析度，是目前廣泛應用于微觀尺度表面形貌測量的高分辨率儀器。但測頭的探針有效長度僅數微米，不適合大深寬比微臺階、微溝槽等微結構表面的測量。因此為了解決這個問題，還要求掃描測頭探針的典型尺寸具有較大的有效長度。
[0003]高分辨率對應于高靈敏度，即要求微納米測頭系統應具有較高品質因數，同時測頭系統的穩定性，包括結構穩定性和測量過程穩定性，是實現有效測量的必要因素。現有微納米測頭一般有接觸式測頭和非接觸式測頭。二者在各自測量領域各有優點，但受限于自身結構或物理特性又各有不足。

【發明內容】

[0004]本發明的目的是提供一種雙端音叉掃描探針測頭系統及其測量方法，以解決現有技術存在的問題。
[0005]為了達到上述目的，本發明所采用的技術方案為:
[0006]雙端音叉掃描探針測頭系統，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叉端和連接兩個叉端的叉臂對構成，雙端音叉的一個叉端連接在剛性支承底面，另一各叉端為自由端；叉臂對中兩個叉臂分別垂直于剛性支承底面并沿豎向并行設置；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頭系統，其特征在于:所述雙端音叉的叉臂對四周設置有電極，通過電極激勵雙端音叉諧振。
[0008]所述的雙端音叉掃描探針測頭系統，其特征在于:雙端音叉的振動方式為，在電極的激勵下兩個叉臂沿厚度方向反相彎曲振動。
[0009]所述的雙端音叉掃描探針測頭系統，其特征在于:雙端音叉由石英晶體制備，切型選擇與振動模式及工作頻率相關，彎曲振動模式下XY切型對應頻率范圍I?80KHZ，NT切型對應頻率范圍40?IOOKHz ;所述雙端音叉選擇XY切型、5°切角，且叉臂長度沿石英晶體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°切型切角結構。
[0010]所述的雙端音叉掃描探針測頭系統，其特征在于:雙端音叉的諧振頻率與其幾何尺寸相關，即可通過改變叉臂的長度、寬度、厚度調節雙端音叉的諧振頻率及力頻系數，所述雙端音叉諧振頻率以及力頻系數與其幾何尺寸的相關關系式分別為:
【權利要求】
1.雙端音叉掃描探針測頭系統，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叉端和連接兩個叉端的叉臂對構成，雙端音叉的一個叉端連接在剛性支承底面，另一個叉端為自由端；叉臂對中兩個叉臂分別垂直于剛性支承底面并沿豎向并行設置；雙端音叉的自由端下方底面正中間固定有鎢探針。
2.根據權利要求1所述的雙端音叉掃描探針測頭系統，其特征在于:所述雙端音叉的叉臂對四周設置有電極，通過電極激勵雙端音叉諧振。
3.根據權利要求1所述的雙端音叉掃描探針測頭系統，其特征在于:雙端音叉的振動方式為，在電極的激勵下兩各叉臂沿厚度方向反相彎曲振動。
4.根據權利要求1所述的雙端音叉掃描探針測頭系統，其特征在于:雙端音叉由石英晶體制備，切型選擇與振動模式及工作頻率相關，彎曲振動模式下XY切型對應頻率范圍I~80KHz，NT切型對應頻率范圍40~10KHz ;所述雙端音叉選擇XY切型、5°切角，且叉臂長度沿石英晶體I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°切型切角結構。
5.根據權利要求1所述的雙端音叉掃描探針測頭系統，其特征在于:雙端音叉的諧振頻率與其幾何尺寸相關，即可通過改變叉臂的長度、寬度、厚度調節雙端音叉的諧振頻率及力頻系數，所述雙端音叉諧振頻率以及力頻系數與其幾何尺寸的相關關系式分別為:
6.根據權利要求1所述的雙端音叉掃描探針測頭系統，其特征在于:雙端音叉兩個叉臂上電極的設置采用叉臂四周分割法布置電極方式，使沿叉臂長度方向的電極在叉臂主面和側面上的零應力點波節處改變極性。
7.一種基于權利要求1所述雙端音叉掃描探針測頭系統的掃描測量方法，其特征在于:通過叉臂四周分割法布置電極，激勵雙端音叉兩個叉臂沿厚度方向反相彎曲振動；設置所述雙端音叉自由端底面固定設置的鎢探針在豎直Z方向上以接觸模式與試樣碰觸，檢測雙端音叉諧振信號的變化以表征所述鎢探針尖端與試樣表面的碰觸程度。
8.根據權利要求7所述的掃描測量方法，其特征在于:所述雙端音叉對軸向力極為敏感，故雙端音叉掃描探針測頭系統在Z向具有極高靈敏度。
9.根據權利要求7所述的掃描測量方法，其特征在于:所述諧振信號為雙端音叉的諧振頻率或諧振相位。
10.根據權利要求7所述的掃描測量方法，其特征在于:采用鎢探針與試樣表面間歇接觸的逐點掃描測量方法，或鎢探針與試樣表面持續接觸的逐行掃描測量方法。
【文檔編號】G01Q70/00GK104020317SQ201410261914
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月12日 優先權日:2014年6月12日
【發明者】余惠娟, 黃強先, 韓彬, 胡小娟, 張蕤 申請人:合肥工業大學