專利名稱:一種基于顯微白光干涉的納米探針裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于掃描探針顯微鏡的探針位移信號的檢測技術(shù)，具體涉及一種基于顯微白光干涉的納米探針裝置。
背景技術(shù)：
掃描探針顯微鏡是具有極高分辨率和眾多優(yōu)點(diǎn)的表面測量儀器，是納米技術(shù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。
現(xiàn)有的大多數(shù)掃描探針顯微鏡均采用光杠桿檢測方法來檢測微懸臂掃描探針受力后的偏轉(zhuǎn)，其偏轉(zhuǎn)量用四象限光電二極管進(jìn)行檢測，即懸臂探針針尖的微小位移量轉(zhuǎn)變?yōu)榧す夤獍咧行脑谒南笙薰怆姸O管光信號接收面上較大的離光斑中心的偏轉(zhuǎn)量，對光斑中心的偏轉(zhuǎn)量進(jìn)行測量，就可得出掃描探針針尖的位移量，從而重構(gòu)被測物表面的微觀形貌。但是，光斑中心的偏轉(zhuǎn)量不僅和掃描探針針尖的位移有關(guān)，還和掃描探針懸臂梁的長度以及探針針尖背面的反射鏡與四象限光電二極管的距離有關(guān)。因此，需要對測量結(jié)果進(jìn)行定標(biāo)。目前，掃描探針顯微鏡，大多數(shù)無計量裝置。即使有，也是采用電感、應(yīng)變片和電容等傳感器，需要定標(biāo)，因此大多用于定性分析，定量分析不夠精確。
中國發(fā)明專利ZL200410094053公開了一種基于角度測量的原子力顯微鏡測量方法，該方法采用角度傳感器，入射光垂直入射到掃描探針針尖背面的反射鏡上，探針轉(zhuǎn)角即反射光偏轉(zhuǎn)角經(jīng)該傳感器檢測并轉(zhuǎn)換成與角度值變化成比例的電信號，經(jīng)信號分析處理得到由于探針測力變化而引起的懸臂梁的角度變化，進(jìn)而得到被測物體表面形貌輪廓。該發(fā)明的裝置中采用了臨界角棱鏡、集成了 1/4波片的分光鏡和集成了 1/4波片的偏光分光鏡等光學(xué)元件，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。由于采用了兩個光電二極管，兩個臨界角棱鏡，因此安裝定位要求比較高，安裝比較困難。角度的偏轉(zhuǎn)，和探針針尖位移、探針懸臂梁的長度以及探針針尖和臨界角棱鏡、光電二極管的相對位置有關(guān)，因此也需要定標(biāo)。
中國發(fā)明專利ZL200510019154. 6和專利文獻(xiàn)CN101458073均采用了干涉顯微鏡
作為主要基體進(jìn)行垂直位移測量，并隱含或明確公開了在實現(xiàn)納米級垂直分辨率時，需要使用納米探針。前者采用納米探針，則難以驅(qū)動杠桿機(jī)構(gòu)；后者采用納米探針，則由于光源為激光，干涉條紋無單峰性。此外，二者與一般的掃描探針顯微鏡類似，還存在著兩個問題
(I)只有一個探針，測量效率低，不能多探針同時測量。⑵不能直接用來觀察被測區(qū)域，在測量前需要借助輔助觀察裝置對被測區(qū)域進(jìn)行定位處理，再進(jìn)行后續(xù)的測量。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種基于顯微白光干涉的納米探針裝置，該探針裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、能多探針同時測量、能直接觀察被測區(qū)域、測量精度高和成本低的特點(diǎn)。
本發(fā)明提供的基于顯微白光干涉的納米探針裝置，其特征在于該納米探針裝置包括干涉顯微鏡主體、微懸臂探針、測量物鏡、參考物鏡、反射鏡和CCD探測器；
CXD探測器連接套筒固定在干涉顯微鏡主體的上部，CXD探測器固定在探測器連接套筒的上部，參考物鏡旋入?yún)⒖嘉镧R套筒，參考物鏡套筒固定在干涉顯微鏡主體的右側(cè)，反射鏡固定在調(diào)節(jié)手輪的前端面；
反射鏡調(diào)節(jié)部分包括調(diào)節(jié)手輪和調(diào)節(jié)螺釘，反射鏡固定在調(diào)節(jié)手輪的前端面，調(diào)節(jié)手輪的后端面與螺桿的一端連接，螺桿穿過反射鏡支承座上的叉孔，并用螺帽緊固；
納米探針裝置的前端包括連接套管、支承套管、主支架、緊固螺釘、圓盤導(dǎo)槽座、圓盤導(dǎo)槽、連接螺釘、探針連接桿和微懸臂探針。支承套管通過螺紋與連接套管連接，支承套管外側(cè)下部的圓柱臺階面支承主支架，通過緊固螺釘鎖緊；圓盤導(dǎo)槽座固定在主支架下端的橫梁上，探針連接桿置于圓盤導(dǎo)槽的導(dǎo)槽中，連接螺釘將探針連接桿和圓盤導(dǎo)槽連接到圓盤導(dǎo)槽座上，微懸臂探針固定在探針連接桿上，可對微懸臂探針按測量需要進(jìn)行位置調(diào)
難
iF. o
本發(fā)明的納米探針裝置采用顯微白光干涉來計量微懸臂探針針尖的位移量，干涉顯微鏡主體內(nèi)部的白光經(jīng)過內(nèi)部的分光鏡分光后，一部分經(jīng)過測量物鏡會聚到微懸臂探針針尖頂部的反射鏡上并被反射，進(jìn)入干涉顯微鏡主體內(nèi)部；另一部分通過參考物鏡投射到反射鏡上并被反射回干涉顯微鏡主體內(nèi)部，與由微懸臂探針針尖頂部反射鏡反射的白光匯聚，產(chǎn)生白光干涉條紋。干涉條紋經(jīng)干涉顯微鏡主體內(nèi)部的放大鏡放大后，在CCD探測器成像平面上成像；微懸臂探針針尖沿著測量物鏡光軸軸線方向的移動，改變了測量光路的光程，導(dǎo)致白光干涉條紋產(chǎn)生移動，對白光干涉條紋在CCD探測器成像平面上的移動量進(jìn)行計量，即可測量微懸臂探針針尖沿測量物鏡光軸方向的移動量。測量前先轉(zhuǎn)動手輪，使反射鏡未鍍膜的扇形區(qū)域旋入?yún)⒖脊饴?，則參考光未被反射回參考物鏡，測量物鏡光路構(gòu)成了顯微放大光路，能對測量區(qū)域進(jìn)行顯微放大，從而直接觀察被測區(qū)域。一般情況下，納米探針懸臂梁的寬度為幾十微米，在采用合適倍數(shù)物鏡條件下，CXD探測器的視場可達(dá)幾百微米，可將多個探針并排布置，使之分別在CCD探測器的視場中形成干涉條紋，從而實現(xiàn)多探針同時測量，以提高測量效率。
與通過光杠桿檢測方法以及通過角度測量方法來檢測微懸臂掃描探針受力后的偏轉(zhuǎn)相比，該方法具有結(jié)構(gòu)簡單、能實現(xiàn)多探針同時測量、可直接觀察被測區(qū)域、測量精度高和成本低的特點(diǎn)，可用于微米級位移、表面形貌與結(jié)構(gòu)等的測量，分辨率可達(dá)I納米。


圖I為本發(fā)明納米探針裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為納米探針裝置前端的結(jié)構(gòu)示意圖；
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和實例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
如圖I所示，本發(fā)明的納米探針裝置，主要包括干涉顯微鏡主體12、參考物鏡10、反射鏡9、測量物鏡16、微懸臂探針21和CXD探測器13等部件。
探測器連接套筒14固定在干涉顯微鏡主體12的上部。CXD探測器13固定在探測器連接套筒14的上部。參考物鏡10旋入?yún)⒖嘉镧R套筒11，參考物鏡套筒11固定在干涉顯微鏡主體12的一側(cè)。反射鏡9固定在調(diào)節(jié)手輪8的前端面，調(diào)節(jié)手輪8的后端面與螺桿7的一端連接，螺桿7穿過反射鏡支承座5上的叉孔，并用螺帽6緊固。反射鏡9為圓形平面反射鏡，處于參考物鏡10的焦平面上，反射鏡9分成四個面積相等的扇形區(qū)域，其中三個區(qū)域分別鍍有不同反射率的膜，剩下的一個則不鍍膜，光投射到此區(qū)域不反射。轉(zhuǎn)動手輪8，即可改變參考光路中反射鏡的反射率。測量物鏡16通過測量物鏡套筒4與干涉顯微鏡主體12的下端相連，納米探針裝置的前端通過連接套管I連接到測量物鏡套筒4上，從而構(gòu)成了整個納米探針裝置。
如圖2所示，納米探針裝置的前端包括連接套管I、支承套管2、主支架3、緊固螺釘15、圓盤導(dǎo)槽座17、圓盤導(dǎo)槽18、連接螺釘19、探針連接桿20和微懸臂探針21。支承套管2通過螺紋與連接套管I連接，也可以是其他連接方式，支承套管2的外圓柱面為光滑面，通過外側(cè)下部的圓柱臺階面支承主支架3，主支架3通過緊固螺釘15與支承套管2鎖緊。圓盤導(dǎo)槽座17固定在主支架3下端的橫梁上，圓盤導(dǎo)槽18帶有導(dǎo)槽，探針連接桿20置于圓盤導(dǎo)槽18的導(dǎo)槽中，連接螺釘19將探針連接桿20和圓盤導(dǎo)槽18連接到圓盤導(dǎo)槽座17上，微懸臂探針21固定在探針連接桿20上。轉(zhuǎn)動支承套管2，可在測量物鏡軸線方向上下移動微懸臂探針。轉(zhuǎn)動圓盤導(dǎo)槽18，微懸臂探針可在垂直于測量物鏡16軸線方向的平面上發(fā)生擺動。圓盤導(dǎo)槽18的導(dǎo)槽滑動探針連接桿20，微懸臂探針可在垂直于測量物鏡軸線方 向的平面上移動，從而調(diào)節(jié)微懸臂探針21針尖反射鏡與測量物鏡焦點(diǎn)的位置關(guān)系。
納米探針裝置測量原理是干涉顯微鏡主體12內(nèi)部的白光經(jīng)過分光后，一部分經(jīng)過測量物鏡16會聚到微懸臂探針21針尖頂部的反射鏡上并被反射，進(jìn)入干涉顯微鏡主體12內(nèi)部；另一部分通過參考物鏡10投射到反射鏡9上并被反射回干涉顯微鏡主體12內(nèi)部，與由微懸臂探針21針尖頂部反射鏡反射的白光匯聚，產(chǎn)生白光干涉條紋。干涉條紋經(jīng)干涉顯微鏡主體12內(nèi)部放大鏡放大后，在CCD探測器13成像平面上成像。測量前先轉(zhuǎn)動反射鏡9，使反射鏡9未鍍膜的扇形區(qū)域旋入?yún)⒖脊饴?，則參考光未被反射回參考物鏡10，測量物鏡16的光路構(gòu)成了顯微放大光路，對測量區(qū)域顯微放大，從而可直接觀察被測區(qū)域，選擇需要測量的區(qū)域。在測量過程中，微懸臂探針21針尖沿著測量物鏡17光軸軸線方向的移動改變了測量光路的光程，從而導(dǎo)致白光干涉條紋產(chǎn)生移動，對白光干涉條紋在CCD探測器13成像平面上的移動量進(jìn)行計量，即可測量微懸臂探針21針尖沿測量物鏡光軸方向的移動量。
權(quán)利要求
1.一種基于顯微白光干涉的納米探針裝置，包括干涉顯微鏡主體(12)、參考物鏡(10)、反射鏡(9)、測量物鏡(16)、微懸臂探針(21)和CCD探測器(13)，其特征在于， 所述CCD探測器(13)固定設(shè)置于干涉顯微鏡主體(12)上的探測器連接套筒(14)的上部，所述參考物鏡(10)旋入并固定在干涉顯微鏡主體(12) —端的參考物鏡套筒(11)中，反射鏡(9)設(shè)置在參考物鏡(10)的焦平面處，該反射鏡(9)為圓形平面反射鏡，被分成四個面積相等的扇形區(qū)域，其中三個區(qū)域分別鍍有不同反射率的膜，剩下的一個不鍍膜，光投射到此區(qū)域不反射，測量物鏡(16)通過測量物鏡套筒(4)與干涉顯微鏡主體(12)的下端相連，納米探針裝置的前端通過連接套管(I)連接到測量物鏡套筒(4)上； 其中，所述納米探針裝置的前端包括連接套管(I)、支承套管(2)、主支架(3)、緊固螺釘(15)、圓盤導(dǎo)槽座(17)、圓盤導(dǎo)槽(18)、連接螺釘(19)、探針連接桿(20)和微懸臂探針(21)，支承套管(2)與連接套管(I)螺紋連接，支承套管(2)的外圓柱面為光滑面，主支架(3)通過該光滑面下部突出的臺階支承，并通過緊固螺釘(15)與支承套管(2)鎖緊，所述圓盤導(dǎo)槽座(17)固定在主支架(3)下端伸出的橫梁上，探針連接桿(20)置于圓盤導(dǎo)槽(18)的導(dǎo)槽中，所述連接螺釘(19)將探針連接桿(20)和圓盤導(dǎo)槽(18)連接到圓盤導(dǎo)槽座(17)上，所述微懸臂探針(21)固定在探針連接桿(20)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的納米探針裝置，其特征在于，所述的反射鏡(9)設(shè)置于反射鏡支承座上，該反射鏡(9)的反射率能夠通過反射鏡調(diào)節(jié)部分對反射鏡(9)的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行調(diào)節(jié)，該反射鏡調(diào)節(jié)部分包括調(diào)節(jié)手輪和調(diào)節(jié)螺釘，反射鏡(9)固定在調(diào)節(jié)手輪的前端面，調(diào)節(jié)手輪的后端面與螺桿的一端連接，螺桿另一端穿過反射鏡支承座上的叉孔，并用螺帽緊固。
3.根據(jù)權(quán)利要求
I或2所述的納米探針裝置，其特征在于，探針連接桿(20)上可并排布置多個探針，使之分別在CCD探測器(13)的視場中形成干涉條紋，從而實現(xiàn)多探針同時測量。
4.根據(jù)權(quán)利要求
I或2所述的納米探針裝置，其特征在于，測量前反射鏡未鍍膜的扇形區(qū)域位于參考光路，參考光未被反射回參考物鏡(10)，測量物鏡(16)光路構(gòu)成了顯微放大光路，能對測量區(qū)域進(jìn)行顯微放大，用于直接觀察被測區(qū)域，選擇需要測量的區(qū)域。
5.根據(jù)權(quán)利要求
I或2所述的納米探針裝置，其特征在于，通過轉(zhuǎn)動支承套管(2)，所述微懸臂探針(21)可在沿測量物鏡(16)軸線方向上移動，以實現(xiàn)對測量光路光程的改變。
專利摘要
一種基于顯微白光干涉的納米探針裝置，包括干涉顯微鏡主體、參考物鏡、反射鏡、測量物鏡、微懸臂探針和CCD探測器。干涉顯微鏡主體內(nèi)部的白光經(jīng)過分光后，一部分經(jīng)過測量物鏡會聚到微懸臂探針針尖頂部的反射鏡上并被反射，進(jìn)入干涉顯微鏡主體內(nèi)部；另一部分通過參考物鏡投射到反射鏡上并被反射回干涉顯微鏡主體內(nèi)部，與由微懸臂探針針尖頂部反射鏡反射的白光匯聚，產(chǎn)生的白光干涉條紋。干涉條紋經(jīng)干涉顯微鏡主體內(nèi)部放大鏡放大后，在CCD探測器成像平面上成像。該方法具有探針具有結(jié)構(gòu)簡單、能實現(xiàn)多探針同時測量、測量精度高和成本低的特點(diǎn)，可用于微米級位移、表面形貌與結(jié)構(gòu)等的測量，分辨率可達(dá)1納米。
文檔編號G01Q20/02GKCN101975873SQ201010295132
公開日2012年9月26日 申請日期2010年9月29日
發(fā)明者常素萍, 楊波, 潘文, 王淑珍, 王生懷, 謝鐵邦, 陳育榮 申請人:華中科技大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (7), 非專利引用 (1),