專利名稱:反饋控制扭擺弱力掃描探測儀的制作方法
反饋控制扭擺弱力掃描探測儀技術(shù)領(lǐng)域：
[0001]本發(fā)明屬于精密測量領(lǐng)域，具體涉及一種弱力掃描探測儀，用于樣品電荷分布、電磁參量、機械參量等的精確測量。
背景技術(shù)：
[0002]隨著科學(xué)的發(fā)展，在科學(xué)實驗的深入研究和實際應(yīng)用中，對測量精度的要求不斷提聞。而在一些聞精度的實驗中，如聞精度的弱力檢測中，對檢驗物體的檢測要求很聞，尤其是對檢驗質(zhì)量表面的形態(tài)特征以及電勢分布等等。這些聞精度的實驗需求涉及到聞精度弱力檢測技術(shù)，這需要極高精度的儀器裝置來實現(xiàn)。[0003]1985年IBM公司的葛·賓尼(G. Binnig)與斯坦福大學(xué)的卡爾文·夸特(Calvin Quate)和IBM蘇黎士實驗室的克里斯托 格柏(ChristophGerber)合作推出了原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy,簡稱AFM),這是一種不需要導(dǎo)電試樣的掃描探針型顯微鏡。 這種顯微鏡通過粗細只有一個原子大小的探針在非常近的距離上探索物體表面的情況，便可以分辨出其他顯微鏡無法分辨的極小尺度上的表面細節(jié)與特征(如圖I)。這種顯微鏡能以空前的高分辨率探測原子和分子的形狀，確定物體的電、磁與機械特性，甚至能確定溫度變化的情況。使用這種顯微鏡時無需使試樣發(fā)生變化，也無需使試樣受破壞性的高能輻射作用。[0004]AFM的工作原理就是將探針裝在一個彈性微懸臂的一端，微懸臂的另一端固定，當探針在樣品表面掃描時，探針與樣品表面原子間的排斥力會使得微懸臂輕微變形，通過在掃描時控制這種力的恒定，帶有針尖的微懸臂將對應(yīng)于針尖與樣品表面原子間作用力的等位面而在垂直于樣品的表面方向起伏運動。利用光學(xué)檢測法或隧道電流檢測法，可測得微懸臂對應(yīng)于掃描各點的位置變化，從而可以獲得樣品表面形貌的信息。[0005]盡管如今AFM的技術(shù)已經(jīng)相當成熟，并廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，然而這種傳統(tǒng)的原子力顯微鏡卻也存在一些的不足，例如樣品的制備上尺寸有較大的限制，結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜， 其機械熱噪聲成為其精度的限制之一。
發(fā)明內(nèi)容
[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種反饋控制扭擺弱力掃描測量儀，結(jié)構(gòu)簡單，提高了分辨率，降低了測量噪聲。[0007]—種反饋控制扭擺弱力掃描測量儀，包括懸絲I、角度傳感器3、控制器4、反饋執(zhí)行機5和探針掃描機構(gòu),懸絲I懸掛于樣品6的中心構(gòu)成扭擺,探針掃描機構(gòu)的探針7靠近樣品6，角度傳感器3用于實時測量樣品6和探針7之間的弱力使得扭擺產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)信息， 并將該扭轉(zhuǎn)信息送給控制器4，控制器依據(jù)扭轉(zhuǎn)信息控制反饋執(zhí)行機5向扭擺施加反饋力， 用以平衡弱力產(chǎn)生的力矩。[0008]在傳統(tǒng)高靈敏度扭秤基礎(chǔ)上，本發(fā)明提出反饋控制扭擺弱力掃描探測裝置(如圖 2所示)。利用高精度傳感器(如電容位移傳感器或者光學(xué)傳感器等)，來測量扭擺檢驗質(zhì)3量的偏轉(zhuǎn)運動，然后通過后續(xù)控制器系統(tǒng)和反饋控制執(zhí)行機(如采用靜電反饋執(zhí)行機或者磁反饋執(zhí)行機)將檢驗質(zhì)量控制在其平衡位置。當掃描探針在檢驗質(zhì)量樣品表面附近移動時，便可通過高精度傳感器檢測出檢驗質(zhì)量與掃描探針之間相互作用的變化，最后通過執(zhí)行機施加反饋力來補償這個微弱相互作用力，此時執(zhí)行機的力便可以度量出二者的相互作用，最終給出相關(guān)待測參數(shù)以及其分布。高精度扭擺作為弱力檢測敏感器，具有更高靈敏度和更低的機械熱噪聲。結(jié)合掃描弱力測量思想可以實現(xiàn)對樣品待測參數(shù)的高精 度和高空間分辨率的測量。這特別對于研究樣品的電場分布，微弱力的掃描測量，Patch效應(yīng)的研究等具有重要意義。[0009]下面以測量樣品電荷分布為例來說明該儀器的工作原理和優(yōu)點。由于導(dǎo)體內(nèi)部缺陷、加工工藝、鍍膜處理等因素導(dǎo)致實際情況下檢驗質(zhì)量表面的電勢是不相等的。目前實驗研究表明，即便是高純金屬經(jīng)過細致處理之后表面的電勢差異仍高達IOOmV左右，人們把導(dǎo)體表面不均勻電勢分布稱之為Patch效應(yīng)，中文直譯為“斑塊的，或者碎鱗的”，斑塊尺寸約為I μ m到幾個_。人們早在19世紀末和20世紀初就發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象，不過直到最近二十年左右隨著空間引力計劃發(fā)展而逐步重視起來。人們利用開爾文(Kelvin)探針原子力顯微鏡開展了多種材料導(dǎo)體的Patch效應(yīng)，空間分辨率達到了 O. 2nm，且其測量精度在 mV/Hz1/2量級。此外有人利用精密扭秤對兩個導(dǎo)體之間的電勢差進行了測量，測量精度達到了 30 μ V/Hz1/2，但是其只是測量了兩個導(dǎo)體之間的平均表面勢差，并沒有對導(dǎo)體電勢空間分布進行測量。[0010]將此原子力掃描顯微鏡作為一種測量導(dǎo)體的表面電勢分布的裝置，可以將檢驗質(zhì)量用扭絲懸掛起來作為一個扭擺，然后根據(jù)實驗研究要求，適當改變?nèi)趿μ结?為一個小平面金屬板作為Patch效應(yīng)源導(dǎo)體，配上合適的引力補償物體組合成一個新的探針系統(tǒng)， 同時采取掃描的方式，測量Patch效應(yīng)源導(dǎo)體與檢驗質(zhì)量表面空間各區(qū)域的相互作用，得出檢驗質(zhì)量表面電勢空間分布，則可以研究檢驗質(zhì)量表面與金屬平面源導(dǎo)體之間的Patch 效應(yīng)。[0011 ] 本發(fā)明的技術(shù)效果體現(xiàn)在[0012](I)利用扭擺作為弱力傳感器，具有更高的靈敏度。相對傳統(tǒng)的原子力傳感器而言，具有更高的探測水平。例如，選取典型參數(shù)檢驗質(zhì)量80g，扭秤長度為20cm，選用25微米的鎢絲懸掛檢驗質(zhì)量，鎢絲長度為50cm，可得該扭秤力矩探測水平約為10_14Nm/Hz1/2，其力探測水平在10_13N/Hz1/2，這要比傳統(tǒng)原子力顯微鏡檢測水平至少高出I個數(shù)量級。[0013](2)利用反饋控制扭擺精確控制樣品的位置，滿足探針掃描測量。該裝置掃描測量的空間分辨率預(yù)計可達到Inm左右，弱力檢測精度10_13N/Hz1/2，實現(xiàn)了高精度和高分辨率的弱力掃描測量。


[0014]圖I為AFM原理示意圖；[0015]圖2為本發(fā)明實例示意圖。
具體實施方式
[0016]實例如圖2所示，實例中樣品6是體積小的平面樣品，因此將樣品6安放在一承載平臺2上，懸絲I懸掛承載平臺2的重心構(gòu)成扭擺。角度傳感器采用一對以承載平臺2為中心對稱放置的電容極板構(gòu)成的電容位移傳感器，或者米用光學(xué)光杠桿方式構(gòu)成光學(xué)傳感器。探針7連接到一個微位移平臺8，可以沿著扭擺各個方向?qū)悠繁砻娌煌瑓^(qū)域進行掃描。反饋執(zhí)行機5可采用靜電或磁反饋控制，若采用靜電反饋，則通過在扭擺2的另一端一邊放置一塊電容極板(或者對稱放置兩塊電容極板)，通過對電容極板施加一個合適的電壓產(chǎn)生靜電力，通過這個靜電力來平衡弱力力矩；若采用磁反饋，則采用對磁敏感的的扭擺，在扭擺2的另一端放置一個精密線圈，通過對電磁線圈施加合適的電流來產(chǎn)生一個磁場力，從而平衡弱力力矩，實現(xiàn)反饋控制。[0017]工作過程具體為角度傳感器3檢測樣品6與弱力探針7相互作用力后導(dǎo)致扭擺發(fā)生的扭轉(zhuǎn)，將這個扭轉(zhuǎn)角度信息傳給控制器4?？刂破?依據(jù)角度信息控制反饋執(zhí)行機 5，實時產(chǎn)生一個適當?shù)姆答伭κ┘咏o扭擺，用以平衡弱力力矩，達到讓扭擺保持相對靜止的目的。通過施加在反饋執(zhí)行機5上的反饋信號來獲知弱力大小，從而得知樣品2的電荷分布、電磁參量、機械參量等信息。
權(quán)利要求
1.反饋控制扭擺弱力掃描探測儀，包括懸絲(I)、角度傳感器(3)、控制器(4)、反饋執(zhí)行機(5)和探針掃描機構(gòu)，懸絲(I)懸掛于樣品的中心構(gòu)成扭擺，探針掃描機構(gòu)的探針(7) 靠近樣品，角度傳感器(3)實時測量由于樣品和探針(7)之間的弱力使得扭擺產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)信息，并將該扭轉(zhuǎn)信息送給控制器(4)，控制器依據(jù)扭轉(zhuǎn)信息控制反饋執(zhí)行機(5)向扭擺施加反饋力，以平衡待測弱力產(chǎn)生的力矩。
2.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的反饋控制扭擺弱力掃描探測儀，其特征在于，所述角度傳感器(3)采用電容位移傳感器或光學(xué)傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求
I或2所述的反饋控制扭擺弱力掃描探測儀，其特征在于，所述反饋執(zhí)行機(5)采用靜電或磁反饋控制。
專利摘要
本發(fā)明公開了一種反饋控制扭擺弱力掃描探測儀，利用懸絲懸掛于樣品的中心構(gòu)成扭擺，角度傳感器實時測量由于樣品和探針之間的弱力使得扭擺產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)信息，并將該扭轉(zhuǎn)信息送給控制器，控制器控制反饋執(zhí)行機向扭擺施加反饋力，以平衡待測弱力產(chǎn)生的力矩。本發(fā)明實現(xiàn)了高精度和高分辨率的弱力掃描測量，整個裝置結(jié)構(gòu)簡單，操作方便。
文檔編號G01Q10/04GKCN101915858SQ201010215084
公開日2013年2月13日 申請日期2010年7月2日
發(fā)明者周澤兵, 羅俊, 葉賢基, 白彥崢, 譚定銀 申請人:華中科技大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (3), 非專利引用 (1),