微尺寸探针测量技术

原子力微探针具有极高的垂直方向位置灵敏度,其针尖半径可达几十纳米量级,这就为微纳米尺度的三维坐标测量提供了可能性.本文基于原子力微探针瞄准原理并结合二维微位移系统和高精度电容传感器,研制了微尺寸测量系统.     

基于显微干涉的纳米探针测量系统

为实现微纳米结构的定量测量和定位观察需要,设计了一种基于显微干涉的纳米探针测量系统。该系统基于干涉显微镜基体,同时融合采用白光干涉法和激光干涉法来对纳米探针的纵向位移进行测量。所构成的探针系统能与光波直接溯源,能直接观察被测区域,测量精度高。实验结果表明所设计的测量系统满足定量测量和定位观察需要。     

白光干涉表面结构测量仪的优化设计与应用

为测量微机电系统的表面结构,研制了一种基于白光干涉法的表面结构测量仪。设计了显微干涉仪,通过实验分析了显微干涉仪关键设计参数中的光源带宽、物镜数值孔径、孔径光阑大小对垂直扫描白光显微干涉测量中干涉条纹光强分布的影响;设计了Z向一维位移工作台,提出了一种以显微干涉图像灰度值归一化标准方差为依据的白光干涉测量条纹自动搜索定位方法。相关实验结果为白光干涉表面结构测量仪的优化设计提供了参考依据。     

快速大面积测量用原子力显微镜扫描速度对测量结果的影响

构建了一种可快速大面积测量光栅表面微结构的原子力显微镜(AFM)系统,研究了不同扫描模式下扫描速度对测量结果的影响。分别测量了微悬臂探针在恒高模式与恒力模式下的频谱,获得了这两种模式下微悬臂探针的有效带宽。基于恒高模式与恒力模式,在不同扫描速度下分别测量了光栅微结构表面上的一条直线与一个圆周,进而分析了扫描速度对测量结果的影响。基于该AFM系统,采用恒高模式下不失真扫描速度对光栅微结构表面进行了快速、大面积三维形貌测量实验。实验结果表明:测量光栅微结构表面上直径为4.0mm的圆形区域所用时间仅为40s。当扫描速度不超过微悬臂探针有效带宽所对应的速度时,所构建的AFM系统可无失真地实现微结构表面的快速、大面积测量。     

基于弯曲法的AFM微悬臂梁弹性常数标定技术

原子力显微镜(atomic force microscopy,AFM)在微纳米尺度力学测量领域有着广泛应用,其微悬臂梁探针的弹性常数是直接影响测量结果准确性的关键因素之一.弯曲法是标定微悬臂梁弹性常数的一类重要方法,基于弯曲标定原理提出了一种新的技术实现方案,并研制了相应的标定系统.借助精密运动定位台使微悬臂梁接触超精密天平并产生弯曲,分别以天平和光杠杆机构同步测得接触力和梁的弯曲量,再根据胡克定律直接算得弹性常数.利用所研制的系统对多种型号的微悬臂梁进行了标定,实验结果表明该系统具有良好的准确性和重复性,测量相对标准差小于5％.     

双测头复合型微纳米测量仪的研制

针对当前微纳米测量中存在的大范围高精度测量及复杂微结构几何参数表征难题,基于多测头传感和精密定位平台复用技术,开发了一台具有多种测量尺度和测量模式的复合型微纳米测量仪。为使其具备大范围快速扫描测量和小范围精细测量功能,仪器集成了白光干涉和原子力显微镜两种测头,通过设计适用于两种测头集成的桥架结构及宏/微两级驱动定位平台,实现整机的开发。为保证仪器测量结果的准确性和溯源性,利用标准样板对开发完成的仪器进行了校准。仪器搭载的白光干涉测头可以达到横向500 nm,纵向1 nm的分辨力;原子力显微镜测头横向和纵向分辨力均可达到1 nm。最后,利用目标仪器对微球样品进行了测量,通过大范围成像和小范围精细扫描,获得了微球的表面特征,验证了仪器对复杂微结构的测量能力。     

一种表面结构多尺度融合测量系统

提出了一种表面结构多尺度融合测量系统,该系统将显微图像测量、垂直扫描白光干涉测量、白光干涉纳米探针测量和白光干涉金刚石探针测量等多种不同尺度的表面结构测量方法融合在一起。实验结果表明,显微图像测量对300μm标准玻璃线纹尺的示值误差为-0.251μm,标准偏差为0.4013μm;白光干涉测量对1.26μm和3.33μm单刻线样板的测量平均值分别为1.263μm 和3.328μm,示值误差分别为0.003μm和 -0.002μm,示值相对变化量为1.27%和0.63%;白光干涉纳米探针对高度为（106.8±1.0）nm的校准光栅测量平均值为103.1nm,相对示值误差为-3.5%;白光干涉金刚石探针测量对Ra=4.08μm样板的测量值为4.05μm,测得值的相对误差为0.74％。所提出的测量系统满足表面结构的多尺度融合测量要求。     

AFM悬臂定位系统中光干涉误差及减小方法研究

光杠杆法是原子力显微镜（AFM）悬臂定位的主要方法。由于悬臂自身的尺寸和材料特性、检测光路系统等因素制约，悬臂弯曲测量时存在光泄露。被试样表面反射的部分泄露光与悬臂反射光产生干涉，在探针一试样接近曲线中产生光干涉误差。基于轻触模式AFM，分析了光干涉误差的产生原因，并对其引起的AFM测量误差进行了数学分析和仿真、提出了减小光干涉误差的方法。实验结果和理论分析表明，为了进一步提高AFM的测量精度，有必要克服定位系统中的光干涉误差。     

基于光点偏转方法的原子力显微镜的研制

讨论了光点偏转方法检测微小位移的原理，建立了相应的光电检测系统，用于检测微悬臂（针尖）的微位移，并在此基础上研制了纳米级分辨率的原子力显微镜。仪器最大扫描范围可达2×2μm2。文中给出了部分样品的测试结果。     

基于原子力显微镜的微纳结构力学测试系统

原子力显微镜是微纳米尺度科学研究中的一个精密仪器,从原理和应用,设备的软件、硬件的扩展都具有很大的发展空间.随微纳机电系统的应用,非常迫切需要开发基于原子力显微镜的力学相关测试系统.在此情况下,着重开发部分相关力学测试软件和系统硬件的扩展.基于原子力显微镜中的一个最基本的力-位移曲线功能,开发力学测试软件,实施单点、多点的力曲线测量,疲劳度测量和单线扫描四个测试功能,系统在硬件上增添微动平台,具有较大的横向位移,保证微纳结构尺寸的测试.相关测试表明,该软件具有较好的一致性和使用性,能方便地进行力学量的提取.