CN1300565C - 基于角度测量的原子力显微镜测量装置 - Google Patents
基于角度测量的原子力显微镜测量装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN1300565C CN1300565C CNB2004100940545A CN200410094054A CN1300565C CN 1300565 C CN1300565 C CN 1300565C CN B2004100940545 A CNB2004100940545 A CN B2004100940545A CN 200410094054 A CN200410094054 A CN 200410094054A CN 1300565 C CN1300565 C CN 1300565C
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- probe
- atomic force
- force microscope
- plane
- afm
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 238000005259 measurement Methods 0.000 title claims abstract description 18
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims abstract description 43
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 11
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims abstract description 3
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 3
- 238000001514 detection method Methods 0.000 abstract description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 9
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 6
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- 230000008859 change Effects 0.000 description 4
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 2
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000011514 reflex Effects 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于角度测量的原子力显微镜测量装置，属于原子力显微镜(AFM)的探针/悬臂梁信号的检测系统及装置。该装置是在原子力显微镜的悬臂梁位移测量装置上采用光学差动式角度传感器，所述的角度测量装置包括准直光源、会聚透镜、1/4波片、偏光分光镜、分光镜、两个临界角棱镜、两个光电二极管、Z向跟踪用微动驱动器、平面内2维微动扫描器、探针夹持器和AFM探针；并且样品台及平面内2维微动扫描器与AFM探针及Z向跟踪用微动驱动器相分离，该距离可调。本发明的优点在于Z向跟踪装置与XY平面内扫描装置相分离，降低了对被测物体的大小、重量及扫描范围等的要求或限制，被测物体可为十几厘米×十几厘米×几厘米。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于角度测量的原子力显微镜测量装置，属于原子力显微镜(AFM)的探针/悬臂梁信号的检测系统及装置。
背景技术
当悬臂梁的端部受力时，其端部会产生两种变形，一种是挠度，另一种是转角。原子力显微镜利用微悬臂梁尖端的探针，当探针接近或接触被测物体表面时，探针与样品之间会发生力的相互作用，该作用力会使微悬臂梁产生弯曲变化，因此，微悬臂梁弯曲量的变化可以通过两种方式进行检测，即测量原子力显微镜的微悬臂梁的挠度变化，或者测量原子力显微镜的微悬臂梁的尖端转角变化。
目前以原子力显微镜为代表的通过检测微悬臂梁的弯曲变化得到被测物体表面信息的这一类仪器，均采用测量微悬臂梁的受力后的挠度变化，AFM探头(包括带有针尖的悬臂梁及其固定装置)的悬臂梁的固定端位置必须保持不变，AFM三维扫描驱动器必须在样品或探针的一侧，如美国Veeco公司的多功能原子力显微镜，日本精工的原子力显微镜等，通常三维微动机构都安装在被测物体一侧。当激光打到微悬臂梁上时，由于微悬臂梁挠度的变化，引起反射光的偏摆，使光电探测器上光点位置发生变化，通过检测光点位置的变化量，从而得到微悬臂梁的挠度变化量，进而得到测力变化量和物体表面轮廓。这种方法虽然结构上简单适于商业生产，但在此类显微镜的恒力模式下扫描过程中，由于探针固定端位置的改变，从而引入测量原理误差，要获得高精度的测量结果，必须进行误差修正或严格的校正。这种方法对被测物体的大小、重量及扫描范围等都有着比较严格的要求或限制，如10毫米×10毫米×1～2毫米。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于角度测量的原子力显微镜测量装置，特别是原子力显微镜类的微悬臂梁信号的检测系统及装置结构设计，扩大原子力显微镜应用范围。
本发明的目的是这样实现的：基于角度测量的原子力显微镜测量装置，其特征在于原子力显微镜的悬臂梁位移测量装置采用光学差动式角度传感器，所述的光学差动式角度传感器包括集成了会聚透镜的半导体激光器6，激光器射出的光被集成了1/4波片的偏光分光镜12反射到AFM探针3的表面，被探针表面反射的光入射到集成了1/4波片的分光镜11，被分成的两束光分别入射到两个临界角棱镜8、10，从临界角棱镜射出的光分别被两个光电二极管7、9接收；Z向跟踪用微动驱动器1与探针夹持器2固定在一起，AFM探针3被固定在探针夹持器上，样品台4与平面内2维微动扫描器5连接在一起；载有样品台的平面内2维微动扫描器与连接有探针夹持器和AFM探针的Z向跟踪用微动驱动器相分离，该距离可调。
本发明的优点在于Z向跟踪装置与XY平面内扫描装置相分离，降低了对被测物体的大小、重量及扫描范围等的要求或限制，被测物体可为十几厘米×十几厘米×几厘米。
附图说明
图1为基于角度测量的AFM测量装置结构示意图。
图中1为Z向跟踪用微动驱动器PZT，2为AFM探针夹持器，3为AFM探针，4为样品台，5为平面内2维(XY)微动扫描平台，6为集成了会聚透镜的半导体激光器，7、9为光电二极管，8、10为临界角棱镜，11为集成了1/4波片的分光镜，12为集成了1/4波片的偏光分光镜。
具体实施方式
基于角度测量的AFM测量方法，AFM探针在扫描过程中由于受力变化引起的悬臂梁尖端的角度变化，采用光学差动式角度传感器(图1中虚线内部)进行检测，其过程是：激光器6发出的可见光经会聚透镜后被偏光分光镜12反射后经1/4波片，入射到原子力显微镜的悬臂梁/AFM探针3反射面上，被AFM探针反射的激光携带悬臂梁的转角变化信息进入光学差动式角度传感器；光学差动式角度传感器固定在可调转角平台上，该平台固定在系统基座上；在初始测力设定值时，可以认为光学差动式角度传感器输出信号为“零”；当扫描过程中测力发生变化时，悬臂梁的弯曲角度发生变化，反射光即相对于光学差动式角度传感器的入射光，其入射角度也产生相应的变化，该变化量为微悬臂梁角度变化量的一倍，使被测量得到放大。
由于采用差动测量方法，来自AFM探针的反射光被半透半反镜11分成两束光后，分别入射进两个棱镜8、10，当反射光的角度有偏摆时，两个棱镜的入射光的入射角分别增大/减小Δθ，反射率变化量也分别增大或减小，出射光的光强被光电二极管7、9检测并转换为光电流，两路光电流信号经过电流一电压变换以及加法、减法和除法运算后，得到线性化处理后的角度变化量，即该变化量被光学差动式角度传感器检测并转换成与角度变化值成比例的电信号。该电信号经放大后再经信号分析处理，得到由于测力变化而引起的悬臂梁的角度变化，进而得到探针的测力变化/物体表面形貌轮廓。
AFM在平面内的扫描由水平面内二维微动扫描平台5在计算机控制下进行，样品台4与该扫描平台结合在一起；AFM的Z向跟踪部分由反馈控制电路驱动Z向跟踪用微动驱动器1进行，探针经探针夹持架2与Z向驱动器结合在一起，即Z向运动由单独的驱动器进行，基于此结构，实现了Z向与XY向运动的分离。
Claims (1)
1.基于角度测量的原子力显微镜测量装置，其特征在于原子力显微镜的悬臂梁位移测量装置采用光学差动式角度传感器；所述的光学差动式角度传感器包括集成了会聚透镜的半导体激光器(6)，激光器射出的光被集成了1/4波片的偏光分光镜(12)反射到原子力显微镜探针(3)的表面，被探针表面反射的光入射到集成了1/4波片的分光镜(11)，被分成的两束光分别入射到两个临界角棱镜(8、10)，从临界角棱镜射出的光分别被两个光电二极管(7、9)接收；Z向跟踪用微动驱动器(1)与探针夹持器(2)固定在一起，原子力显微镜探针(3)被固定在探针夹持器上，样品台(4)与平面内2维微动扫描器(5)连接在一起；载有样品台的平面内2维微动扫描器与连接有探针夹持器和原子力显微镜探针的Z向跟踪用微动驱动器相分离，该距离可调。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CNB2004100940545A CN1300565C (zh) | 2004-12-28 | 2004-12-28 | 基于角度测量的原子力显微镜测量装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CNB2004100940545A CN1300565C (zh) | 2004-12-28 | 2004-12-28 | 基于角度测量的原子力显微镜测量装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN1632519A CN1632519A (zh) | 2005-06-29 |
| CN1300565C true CN1300565C (zh) | 2007-02-14 |
Family
ID=34847792
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CNB2004100940545A Expired - Fee Related CN1300565C (zh) | 2004-12-28 | 2004-12-28 | 基于角度测量的原子力显微镜测量装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN1300565C (zh) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101915858B (zh) * | 2010-07-02 | 2013-02-13 | 华中科技大学 | 反馈控制扭摆弱力扫描探测仪 |
| CN103591908B (zh) * | 2013-11-28 | 2016-09-07 | 重庆理工大学 | 基于原子力的角位移传感器 |
| CN109959344B (zh) * | 2019-03-08 | 2020-04-14 | 北京理工大学 | 激光差动共焦原子力核聚变靶丸表面轮廓测量方法与装置 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06258068A (ja) * | 1993-03-04 | 1994-09-16 | Canon Inc | 原子間力顕微鏡 |
| JPH074953A (ja) * | 1993-06-18 | 1995-01-10 | Hitachi Ltd | 走査型プローブ顕微鏡用スキャナ及びそれを備える走査型プローブ顕微鏡 |
| CN1104770A (zh) * | 1993-12-27 | 1995-07-05 | 松下电子工业株式会社 | 结晶评价装置及结晶评价方法 |
| US5656809A (en) * | 1995-08-23 | 1997-08-12 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Atomic force microscope and measuring head thereof with linearly polarized reflected light |
| CN1359468A (zh) * | 1999-06-05 | 2002-07-17 | 大宇电子株式会社 | 原子力显微镜及其驱动方法 |
-
2004
- 2004-12-28 CN CNB2004100940545A patent/CN1300565C/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06258068A (ja) * | 1993-03-04 | 1994-09-16 | Canon Inc | 原子間力顕微鏡 |
| JPH074953A (ja) * | 1993-06-18 | 1995-01-10 | Hitachi Ltd | 走査型プローブ顕微鏡用スキャナ及びそれを備える走査型プローブ顕微鏡 |
| CN1104770A (zh) * | 1993-12-27 | 1995-07-05 | 松下电子工业株式会社 | 结晶评价装置及结晶评价方法 |
| US5656809A (en) * | 1995-08-23 | 1997-08-12 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Atomic force microscope and measuring head thereof with linearly polarized reflected light |
| CN1359468A (zh) * | 1999-06-05 | 2002-07-17 | 大宇电子株式会社 | 原子力显微镜及其驱动方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN1632519A (zh) | 2005-06-29 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5580296B2 (ja) | プローブ検出システム | |
| EP1892727B1 (en) | Shape measuring apparatus using an interferometric displacement gauge | |
| US7787133B2 (en) | Optical displacement-detecting mechanism and probe microscope using the same | |
| JP2011522273A5 (zh) | ||
| JPH11326194A (ja) | 表面プラズモンセンサー | |
| CN102519368A (zh) | 法向位移和角度传感光学测头及测量方法 | |
| KR20030095049A (ko) | 단면이 오목거울로 가공된 광섬유를 이용한 패브리 페로공진기와 이를 이용한 원자간력 현미경에서의 외팔보탐침의 변위 측정 및 보정시스템 | |
| Quercioli et al. | Monitoring of an atomic force microscope cantilever with a compact disk pickup | |
| US11320454B2 (en) | Scanning probe microscopy system for and method of mapping nanostructures on the surface of a sample | |
| JP5410880B2 (ja) | 摩擦力測定方法および摩擦力測定装置 | |
| TWI297767B (en) | Measuring apparatus and method using surface plasmon resonance | |
| TW201531693A (zh) | 用於光學檢測之非成像相干線掃描系統和方法 | |
| JP3073268B2 (ja) | 微小変位検出方法 | |
| US10254306B2 (en) | Probe calibration or measurement routine | |
| JP3947159B2 (ja) | 共焦点光学結像原理に従って迅速な光学的距離測定を行うセンサ装置 | |
| CN1300565C (zh) | 基于角度测量的原子力显微镜测量装置 | |
| CN1300564C (zh) | 基于角度测量的原子力显微镜测量方法 | |
| KR102646539B1 (ko) | 스캐닝 프로브 현미경 | |
| CN109443711A (zh) | 一种基于针孔随动高速扫描共焦显微技术的大口径光学元件测量装置和方法 | |
| CN118111360B (zh) | 基于共路传输的宽带光干涉型粗糙度测量装置及方法 | |
| KR20220079877A (ko) | 스캐닝 프로브 현미경을 이용하여 표면을 이미징 하는 방법 | |
| JP4843789B2 (ja) | レーザスペックルによるナノメートル変位測定方法と装置 | |
| CN115032421B (zh) | 一种可实现光束偏移补偿的原子力显微镜测头 | |
| CN1632463A (zh) | 基于角度测量的三角法测距误差补偿装置 | |
| Huang et al. | Development of an optical pickup system for measuring the displacement of the micro cantilever in scanning probe microscope |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C19 | Lapse of patent right due to non-payment of the annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |