[发明专利]基于PVDF的轻敲式高灵敏度SPM测头及测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米测量装置，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。

发明内容

本发明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。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

本发明基于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。

本发明基于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。

本发明中所采用的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)。本发明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。