基于PVDF的轻敲式高灵敏度SPM测头及测量方法技术

基于ＰＶＤＦ的轻敲式高灵敏度ＳＰＭ测头及测量方法，其特征是以ＰＶＤＦ压电薄膜为振动梁、以钨探针为扫描探针；振动梁设置为具有弯曲弧度的简支梁，振动梁的左右两端通过夹持结构分别固定在相对设置的两侧压电驱动器的前端，两侧压电驱动器的后端分别固定在各自的悬臂梁上，悬臂梁呈单端悬置设置在测头架上；扫描探针固定设置在振动梁下表面的中心位置上。本发明专利技术是以振动梁输出的电荷量的改变表征振动梁由所受微测力而导致的振幅变化，在被测面上进行多点微测力轻敲扫描实现对试样表面的测量。本发明专利技术可以实现高空间分辨率、低测量力，适合各种材料，并且可以在空气环境中进行测量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及纳米测量装置，更具体地说是一种可用于构成扫描探针显微系统测头，使系 统实现纳米微观形貌测量中垂直方向上纳米分辨力的反馈控制；可构成微纳米三坐标测量机 的纳米定位探头，实现三坐标测量机探头的纳米定位；可用于构成扫描探针显微系统以实现 对柔软易碎试样(如蛋白质分子等生物材料表面)、具有陡峭台阶表面特征的试样(如半导 体硅微器件、微机电设备等)进行纳米级分辨率的非破坏性微观表面形貌测量；以及用于构 成微纳米三坐标测量机探头以实现微机电器件(MEMS)、微机械零件的测量。
技术介绍
近十年来，随着微半导体器件、MEMS、纳米器件等对表面微观形貌测量的高精度要求， 以及DNA、蛋白质分子等生物材料表面测量的非破坏性要求，要求测量仪器不仅具有纳米 级的分辨率，还要具有尽可能小的测量力。常用的触针式轮廓仪是一种广泛应用于机械表面测量、简单且可靠的精密测量仪器，其 测量范围可达到数十毫米，但它的垂直分辨率只能达到数十纳米，且测量过程中触针与被测 表面连续接触，横向测力大，易给表面造成划伤，不适合于软材料及具有陡峭微观结构的表 面测量。共焦显微镜等光学测量系统，虽然具有非接触测量的优点，且其最高垂直分辨率接 近10纳米的水平，但其横向分辨率受聚焦光斑直径的限制而无法提高，而且不适合于非反 光材料的测量。扫描隧道显微镜(STM)尽管具有亚纳米的垂直分辨力和非接触测量的优点， 但由于测量电流受被测材料导电性的影响很大，不能直接应用于绝缘材料和表面易氧化的材 料，且对测量环境的真空度也有很高的要求，因此其使用范围收到了很大的限制。原子力显 微镜(AFM)虽然适合于各种材料、多种参数的测量，且具有亚纳米级的垂直分辨率和nN级 的测量力，但所采用的探针多数为硅微悬臂型，其有效长度短、尖端曲率半径大、圆锥角通 常在30。左右，不适合于大台阶微观表面的测量，而且测头中所用硅悬臂的控制需要采用光 杠杆法或光干涉法等附加位置检测系统来实现，光学检测系统所产生的泄漏光不仅影响半导 体器件电参数的测量，还可能给表面测量带来干涉误差。因此，结构复杂且难于实现调整和 检测。因此，现有的表面形貌测量系统中不具有使用的普遍性。
技术实现思路
本专利技术是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种基于PVDF的轻敲式高灵敏 度SPM测头及测量方法，以实现高空间分辨率、低测量力、适合各种材料、满足亚毫米微 观高度差的表面形貌的测量。本专利技术解决技术问题采用如下技术方案本专利技术基于PVDF的轻敲式高灵敏度SPM测头的结构特点是以PVDF压电薄膜为振动 梁、以钨探针为扫描探针；所述振动梁设置为具有弯曲弧度的简支梁，振动梁的左右两端通过夹持结构分别固定在相对设置的两侧压电驱动器的前端，两侧压电驱动器的后端分别固定在各自的悬臂梁上，悬臂梁呈单端悬置设置在测头架上；扫描探针固定设置在振动梁下表面 的中心位置上。本专利技术基于PVDF的轻敲式高灵敏度SPM测头的测量方法的特点是在两侧压电驱动器 上施加振幅和频率可调的交流正弦电压信号作为驱动信号，在驱动信号下，两侧压电驱动器 沿水平方向产生往返位移，并通过振动梁使扫描探针沿垂直方向振动；调整驱动信号频率， 使振动梁处于近共振状态；扫描过程中，在扫描探针尚未接触到试样表面时，振动梁工作在 近共振状态，产生自由振幅Ao，自由振幅Ao下的振动梁的输出为自由振幅电荷量Co;对于 扫描探针在某一点上与试样发生的瞬间接触，振动梁产生衰减振幅A"衰减振幅 下的振 动梁的输出为衰减电荷量C"以振动梁输出的电荷量的改变表征振动梁振幅度的变化，在 被测面上进行多点微测力轻敲扫描实现对试样表面的测量。本专利技术中所采用的PVDF (Polyvinylidene Fluoride)压电薄膜又名聚偏氟乙烯薄膜，是 由高分子压电材料制成的压电薄膜，具有优良的压电特性，沿垂直于极化面方向的电常数g^ 可达0.26V.m/N。 PVDF压电薄膜的密度在1.76 1.80g/cmS之间，轻薄柔软，且具有一定弹 性，使用温度为-40 150。C; SPM为扫描探针显微镜(Scanning Probe Microscope)。本专利技术中扫描探头是通过电化学研磨法获得的大长径比的钨针尖。本专利技术是以聚偏氟乙烯压电薄膜PVDF代替轻敲模式原子力显微镜中的硅材料悬臂，结 合扫描隧道显微镜中的钨探针构成扫描探针测头，在这一结构中，具有压电效应的压电薄膜 PVDF既作为类似原子力显微镜AFM中带探针的微悬臂使用，又作为类似扫描力显微镜SFM 中的力敏传感器以检测微小力或位移的变化。将本专利技术测头与原子力显微镜测量系统相结 合，可实现对各种材料构成的试样(如蛋白质分子等生物材料表面)、具有陡峭台阶表面特 征的试样(如半导体硅微器件、微机电设备等)等进行纳米分辨率的非破坏性微观表面形貌 测量。与已有技术相比，本专利技术有益效果体现在1、本专利技术中以压电驱动器励振PVDF压电薄膜振动梁，PVDF压电薄膜振动梁既作为 固定扫描探针的悬臂，也作为检测PVDF压电薄膜振动梁振幅变化的传感器，很好地避免了 繁杂的附加位置检测装置；2、 本专利技术测量过程时PVDF振动梁工作于谐振状态，扫描探针与被测试样的表面瞬间 接触，测量力可降低至纳牛(10—9牛顿)量级，可实现对易碎裂损伤的硅微器件和纳米器件 的高精度测量，对于轻薄柔软易破损的生物试样的高精度非破坏性测量意义更为重大；3、 本专利技术采用具有大长径比、尖端圆锥角为10°左右的钨探针为扫描探针，因此特别 适合于软材料表面和大台阶表面等的高精度、微测量力的测量。附图说明图1为本专利技术PVDF薄膜振动梁的原理图。图2为专利技术结构示意图。图3为图2的俯视结构示意图。图中标号l测头架、2调节槽、3悬臂梁、4压电驱动器、5左侧压电驱动器驱动线、6 振动梁、7扫描探针、8薄膜电荷信号引出线、9右侧压电驱动器驱动线、IO夹持结构。 以下通过具体实施方式，并结合附图对本专利技术作进一说明具体实施例方式参见图l、图2，本实例是以PVDF压电薄膜为振动梁6、以钨探针为扫描探针7;振动梁 6设置为具有弯曲弧度的简支梁，振动梁6的左右两端通过夹持结构10分别固定在相对设置 的两侧压电驱动器4的前端，两侧压电驱动器4的后端分别固定在各自的悬臂梁3上，悬臂梁3 呈单端悬置设置在测头架1上；扫描探针7固定设置在振动梁6下表面的中心位置上。测量方法是在两侧压电驱动器4上施加振幅和频率可调的交流正弦电压信号作为驱动 信号，在驱动信号下，两侧压电驱动器4沿水平方向产生往返位移，并通过振动梁6使扫描 探针7沿垂直方向振动；调整驱动信号频率，使振动梁6处于近共振状态；扫描过程中，在 扫描探针7尚未接触到试样表面时，振动梁6工作在近共振状态，产生自由振幅Ao，自由 振幅Ao下的振动梁6的输出为自由振幅电荷量Co;对于扫描探针7在某一点上与试样发生 的瞬间接触，振动梁6产生衰减振幅Ai，衰减振幅A!下的振动梁的输出为衰减电荷量Q， 以振动梁输出的电荷量的改变表征振动梁振幅度的变化，在被测面上进行多点微测力轻敲扫 描实现对试样表面的测量。图2中所示的调节槽2可以用于调整两侧压电驱动器4之间的距离，达到调整PVDF薄 膜振动梁所呈弧度大小的目的，左侧压电驱动器引线5和右侧压电驱动器引线9作本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于ＰＶＤＦ的轻敲式高灵敏度ＳＰＭ测头，其特征是以ＰＶＤＦ压电薄膜为振动梁（６）、以钨探针为扫描探针（７）；所述振动梁（６）设置为具有弯曲弧度的简支梁，振动梁（６）的左右两端通过夹持结构（１０）分别固定在相对设置的两侧压电驱动器（４）的前端，两侧压电驱动器（４）的后端分别固定在各自的悬臂梁（３）上，悬臂梁（３）呈单端悬置设置在测头架（１）上；所述扫描探针（７）固定设置在振动梁（６）下表面的中心位置上。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：黄强先，侯茂盛，杨朋桢，罗涛，张瑜，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：34[中国|安徽]