一种用于纳米计量的原子力显微镜测头的设计

介绍了我们研制的一种高精度、具有计量学意义的原子力显微镜测头.该显微测头与其它部件协同工作在50 mm×50 mm×2 mm的测量范围内实现纳米级精度的测量.测头采用光束偏转法检测探针悬臂的微小偏移,由单模保偏光纤引入半导体激光作为光源.该测头安装有3个立体反射镜作为激光干涉仪的参考镜.样品与原子力显微镜测头的相对位置可以由激光干涉仪直接读数,可溯源到米国际定义及国家基准上.激光干涉仪的布置无阿贝误差.测头采用立体光路设计,结构紧凑.测头厚度小于20 mm,质量约200 g,却实现了100 mm的反射光程.使用该测头测得与量块表面的力-距离曲线,还测得标称高度300 nm SiO2台阶样板的图像,分辨率优于0.05 nm.     

计量型原子力测头模型研究及性能分析

建立了具有立体光路的光束偏转法原子力测头的模型，给出测头的放大能力，证明光路不会对光束偏转法的分辨力造成影响．分析了光路特性，说明光斑运动轨迹与规律．以此为基础完成了一个用于纳米计量的原子力测头．测头读数可溯源．测头的重复性通过实验验证，测头信号实验标准差为0．318nm．该测头应用在“2．5维大范围纳米结构测量系统”中，对台阶高度样板进行测量，取得了良好结果．     

利用计量型原子力显微镜进行纳米台阶高度测量

计量型原子力显微镜纳米测量系统主要由扫描器、测针位置传感器和一体化微型激光干涉三维测量系统等部分构成．针对计量型原子力显微测量系统,采用三维激光干涉测量系统作为测量基准,以实现原子力测量系统的纳米尺度量值溯源和校准工作．建立了校准模型,分析了扫描器9项主要误差项,并将该模型应用到原子力显微镜扫描器的校准中．校准后的结果表明,除z轴位置误差不超过±2nm外,其他8项的残余误差均不超过±1nm．通过台阶高度国际比对,建立了台阶高度标准计算方法及不确定度分析模型．台阶高度国际比对的测量结果表明,计量型原子力显微镜的测量值与参考值相差均小于1．5nm．     

小型自感应原子力显微镜测头及其标定

设计了一种小型轻敲式自感应原子力显微镜(AFM)测头以实现微/纳尺度下的几何量测量.轻敲式测头采用石英音叉式自感应探针,通过自身的电信号输出检测悬臂梁的振幅变化,无需额外的光学传感器.设计了测头的微弱自感应信号放大电路,并补偿音叉寄生电容对测量的干扰.机械结构紧凑便于将测头固定于光学显微镜下观察测量情况,同时屏蔽外界的干扰.利用显微激光多普勒测振系统,标定了测头机电耦合系数为145 nm/V,由此可以计算测头工作频率下悬臂梁的振幅.搭建了以纳米测量机(NMM)为高精度定位平台的测试系统,利用该系统对测头进行进/退针实验,标定测头的灵敏度为0.47 nm/mV,NMM内置的干涉仪保证标定直接溯源至"米"定义.实验表明测头的非线性误差小于1%,测量范围在百纳米级.     

高精度零件热变形量测量系统

设计了一种高精度测量零件受热变形量的实验装置.用恒温箱控制温度变化及保持温度稳定,利用电感测头对测量进行定位;同时,利用双频激光干涉仪对电感测头间距离进行精确测量,测头间的距离就是零件的受热变形量.理论分析和实验结果表明,这一系统具有较高的温度控制精度和测量精度.利用该系统对直径为50 mm的圆柱类零件在稳态均匀温度场中相同温度变化下的直径热变形量进行了5次重复性测量,其重复性误差为0.5μm.     

基于迈克尔逊干涉法的太赫兹波长精密测量

搭建了以迈克尔逊干涉法为基础并引入参考激光作为光程变化度量值的分光路波长测量系统。利用理论分析配合软件仿真的方式研究测量光路中存在的影响因素,以动镜偏转、分束镜偏转和光束偏转导致的相对附加光程差作为评价标准进行分析与判定。测量结果表明:100GHz的太赫兹源波长为3.1142mm,相对扩展不确定度为0.9%(k=2)。使用标准太赫兹频率计对同一太赫兹源进行比对实验,获得修正系数为1.0035,从而验证了测量结果的准确性和太赫兹波长测量系统的可靠性。     

计量型AFM力曲线功能的开发及其在纳米振动测量中的应用

提出了一种在计量型原子力显微镜（AFM）上开发力曲线功能模块的方法.通过在计量型原子力显微镜上增加可调三角波发生器、信号切换和缓冲电压保护电路,对计量型原子力显微镜的内部驱动信号和外加驱动信号进行了平滑切换,避免了原子力显微镜压电陶瓷驱动器的剧烈变化,实现了计量型原子力显微镜的力曲线功能.采用开发的力曲线模块绘制了计量型原子力显微镜的力曲线图形,基于力曲线功能测量了纳米梁谐振器的离面振动特性,并与显微激光多普勒测振仪的测振结果进行了比对,实验结果表明本文提出的方法和建立的系统是正确的.     

集成AFM测头的纳米测量机用于台阶高度的评价

利用纳米测量机(NMM)和原子力显微镜(AFM)实现了高精度的台阶高度评价,该系统的测量范围可以达到25 mm × 25 am×5 mm.文中描述了NMM和AFM的工作原理,说明了NMM的高精度定位性能,系统利用NMM实现x、y方向的扫描,AFM测头只是作为零点传感器,通过将AFM的悬臂梁反馈控制信号引人到NMM的数字信号控制器中,NMM实现在:方向的辅助测量,这种测量模式减小了AFM的PZT扫描器固有特性对测量的影响.根据ISO 5436-1:2000的评价方法对经过标定的台阶高度进行评价,14次测量的标准偏差为0.52 nm.     

基于双反馈模式的大范围自感应AFM测量系统

为了提高原子力显微镜（AFM）的测量范围,设计了一种基于双反馈测量模式的大范围自感应原子力显微镜系统,测量系统中有两条反馈回路:一条反馈回路由压电陶瓷与AFM测头组成,动态响应较快的压电陶瓷位移台的运动量可以表征被测样品表面的高频信息;另一条反馈回路由压电陶瓷位移台和纳米测量机（NMM）的反馈控制器组成,利用压电陶瓷位移台的位移信号控制NMM运动,NMM的mm级z向测量范围使得被测样品较大变化范围的低频轮廓信息很容易地被表征出来。使用本系统对平面样品和一维栅格进行了测量实验,实验结果表明采用双反馈的测量模式的AFM测量系统能够有效地表征被测样品的低频轮廓信息和表面高频信息,测量范围能够达到mm级,纵向分辨率达到nm级,具有良好测量重复性。     

一种适用于原位纳米力学测试的AFM测头

设计并制作了一种适用于原位纳米力学测试的原子力显微镜(AFM)测头.测头由光学检测系统和Z向压电陶瓷微位移机构组成.其中光学检测系统采用光杠杆与显微镜同轴光路检测探针形变,压电位移机构内置电容传感器可实现探针进给量的闭环控制.标定实验表明该测头闭环位移分辨力优于10 nm,在标定范围内具有很好的线性.利用该测头对某型微悬臂梁法向弹性常数进行了测量,测得值与采用具有溯源性的标定方法所得结果一致.