CN201266162Y - 基于pvdf的轻敲式高灵敏度spm测头 - Google Patents

Abstract

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、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。本实用新型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。本实用新型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。

Description

基于PVDF的轻敲式高灵敏度SPM测头

技术领域

本实用新型涉及纳米测量装置，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。

背景技术

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。

实用新型内容

本实用新型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，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。

本实用新型解决技术问题采用如下技术方案：

本实用新型基于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。

本实用新型基于PVDF的轻敲式高灵敏度SPM测头的测量方法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A₀，自由振幅A₀下的振动梁的输出为自由振幅电荷量C₀；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A₁，衰减振幅A₁下的振动梁的输出为衰减电荷量C₁，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。

本实用新型中所采用的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g₃₁可达0.26V·m/N。PVDF压电薄膜的密度在1.76～1.80g/cm³之间，轻薄柔软，且具有一定弹性，使用温度为-40～150℃；SPM为扫描探针显微镜(Scanning Probe Microscope)。本实用新型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。

本实用新型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。将本实用新型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，本实用新型有益效果体现在：

1、本实用新型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、本实用新型测量过程时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、本实用新型采用具有大长径比、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为本实用新型PVDF薄膜振动梁的原理图。

图2为实用新型结构示意图。

图3为图2的俯视结构示意图。

图中标号：1 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、10 夹持结构。

以下通过具体实施方式，并结合附图对本实用新型作进一说明：

具体实施方式：

参见图1、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A₀，自由振幅A₀下的振动梁6的输出为自由振幅电荷量C₀；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A₁，衰减振幅A₁下的振动梁的输出为衰减电荷量C₁，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作为压电驱动器驱动信号的输入引线，薄膜电荷信号引出线8作为电荷信号的引出端线。

关于测头振动频率：

基于PVDF振动梁的轻敲式扫描测头中，其振动梁结构的原理如图1所示，图中，一层PVDF压电薄膜构成振动梁结构，长度为l。当两端受到挤压和抻拉的力F时就会产生沿X方向的受迫振动。由相关分析得，这种两端固定振动梁结构的振动频率可有下式表达：

$f=\frac{1}{2{\mathrm{\πl}}^2}\sqrt{\frac{\mathrm{EI}}{\mathrm{A\ρ}}}\×(500.56+12.302\frac{F}{\mathrm{EI}/l^2})$

其中，A为PVDF压电薄膜的横截面积；F为加载在压电薄膜左右两端的作用力；l，b，h分别为压电薄膜的长度、宽度和厚度；E为杨氏弹性模量，I为压电薄膜的惯性矩。

而加载在压电薄膜左右两端作用力F可由下式表达：

F＝4πEI/l²

那么，PVDF压电薄膜构成的振动梁结构在沿X方向的振动频率就可由下式近似的估算出：

$f\≈\frac{1}{2{\mathrm{\πl}}^2}\sqrt{\frac{\mathrm{EI}}{\mathrm{A\ρ}}}\×(500.56+12.302\frac{F}{\mathrm{EI}/l^2})\≈\frac{665}{2\mathrm{\π}{l}^2}\sqrt{\frac{\mathrm{EI}}{\mathrm{A\ρ}}}$

由上可知，影响振动梁振动频率的因素主要包括：压电薄膜的长度l、宽度b、厚度h以及惯性矩I，其他均为与材料有关的常数。因此，改变压电薄膜的尺寸参数也就改变了振动梁的振动频率。

影响测头性能的参数：

衡量SPM测头性能的两个重要参数是测头在垂直方向上所能达到的分辨率，以及测头在扫描试样过程中对试样表面的测量力。而表征这两个性能指标高低的参数主要是振臂弹性常数k及品质因数Q。

机械弹性常数k是指PVDF压电薄膜振动梁6所受的力(也就是在轻敲模式下探针与试样表面瞬间接触时的测量力)与在薄膜振动梁6上产生的弹性变形量的比值，单位为“牛顿/米”。这一比值直接关系到测头的灵敏度的高低、测量力的大小及所产生压电信号电荷数的多少。也就是说当探针在测量时与表面瞬间接触时，机械弹性常数k值越小，很小的测量力就能使压电薄膜振动梁6产生很大的变形，压电薄膜也就能产生足够的电荷量的变化用于检测，因此这样的振动梁灵敏度很高，所需的测量力很小，电荷信号变化幅度大；反之，机械弹性常数k值越大，需要很大的测量力才能使压电薄膜振动梁6产生足够的变形量，才能产生足够的电荷量的变化用于检测，所构成的振动梁灵敏度较低，且对试样的测量力很大，电荷信号的变化也不明显。

品质因数Q是反映系统动态性能的一个根本参数。在振动系统中，品质因数Q的定义如下式：

$Q=2\mathrm{\π}\frac{E}{\mathrm{\ΔE}}=\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{\mathrm{\Δ\ω}}=\frac{f_0}{\mathrm{\Δf}}$

其中，E为振动系统的总能量；△E为振动系统振动一个周期损失的能量；f₀为振幅达到最大时的谐振频率；而f₁<f₀<f₂，f₁、f₂分别为f₀两侧0.707倍最大振幅处所对应的振动频率值。这也就是说在一个振动系统中，品质因数表征了系统振动一周期内损失能量的多少，系统阻尼的大小和振动峰值的高度。

对于上述测头，品质因数Q的大小主要影响以下三个方面性能：即轻敲扫描过程中PVDF薄膜振动梁6所能达到的共振幅值大小；探针与表面发生瞬间接触前后，振动梁6振幅改变量的大小；振动梁6回复到稳定振动状态所需时间的长短。也就是品质因数越高，相同接触力的情况下，薄膜振动梁6振幅的改变量越大，力灵敏度越高，但回复到稳定状态所需的时间越长；反之，则振幅的改变量较小，力灵敏度较低，却较易维持稳定的振动状态。

因此，为了使系统具有较高的分辨率和较小的测力，就要合理调整对Q和k产生影响的各结构参数。

确定好PVDF薄膜各结构参数并架构好整个系统后，就可以实际测试这一测头结构所能达到的灵敏度。测试是通过以下方式实现：控制纳米位移台沿垂直方向移动，以一定的步进量(如1nm)不断向钨探针7逼近，当探针7在某一点上与纳米位移台发生瞬间接触时，薄膜振动梁6的振幅就会衰减。由于薄膜振幅的减小，PVDF压电薄膜所产生的电荷量也会相应的减少，检测电路的检测出的电压信号的幅值也会随之减小。通过记录下来的发生触碰时的步进量以及电压信号的减小量，就可以算得这一测头结构的灵敏度，其单位为V/μm。灵敏度越高，表征着由这一测头结构所搭建的SPM扫描探针显微镜系统所能达到的垂直方向的空间分辨率越高；反之，则所能达到的分辨率就较低。另外，灵敏度测试也可用来验证所选薄膜各参数是否恰当。

实验数据：

在实验测定中，通过改变PVDF薄膜振动梁6结构参数如薄膜的长度l、宽度b和厚度h以及振动梁6所呈弧度实测这种新型测头所能达到的性能，振动梁6所呈的弧度可以通过调节槽2调整两侧压电驱动器4的之间的距离D来实现。

由实验结果确定的压电薄膜的结构尺寸为：l＝10mm，b＝2.5mm，h＝40μm，振动梁所呈弧度在夹持结构10间距D＝9.5mm时为最佳。测头的品质因数Q为24.3，弹性常数k为35N/m。

其中，品质因数Q要远低于AFM测头的品质因数(通常为数千)，这是与这一新型测头的结构及大气下的工作环境有关，造成了振动系统的阻尼较大，系统振动损失的能量也大。但在保证了足够的灵敏度的情况下，较低的Q值却能保证系统振动的稳定，缩短回复稳定状态的时间，这样就可以提高扫描速度和工作效率；而振动梁的机械弹性常数k为35N/m，要远小于硅微悬臂数百牛顿/米的弹性常数，也就提高了这一新型测头的灵敏度，且对试样表面具有更轻微的测量力。

经实验测定，由此测头构成的扫描探针显微系统，灵敏度为1.98V/μm，自由振动的振幅为150～200nm，垂直分辨率达1.6nm，扫描测量力为nN级。

Claims (1)

1、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。

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