[实用新型]大样品大范围高分辨原子力显微检测装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种大样品大范围高分辨原子力显微显微检测装置。用于超精密工件、大型光学部件、大镜头、大口径衍射光学器件、大型光栅等大样品的微纳米检测。

背景技术

微纳米技术是近年来国际上飞速发展的前沿学科领域，而以原子力显微镜(AFM)、扫描隧道显微镜(STM)等扫描探针显微镜(SPM)技术为主要代表的微纳米检测技术，是微纳米技术发展的重要基础和前提。尤其是AFM因其不受样品导电性能的限制而有更大的应用领域。目前，世界上绝大多数AFM，或称之为常规AFM，其探头都是采用微探针固定、用压电陶瓷扫描器对样品进行扫描的形式。这些AFM仪器可以很好地实现小尺寸、小质量的微纳米测试样品的小范围扫描测量，如小块光栅、多孔氧化铝模板、光学薄膜、金属片、硅片以及其他纳米材料；而无法实现大尺寸、大质量样品的大范围扫描测量，如超精密工件、大型光学部件、大镜头、大口径衍射光学器件、大型光栅等。

对于大尺寸、大质量的样品而言，AFM探头必须采用样品固定、微探针扫描的方式。而常规AFM的探头，显然无法实现微探针的扫描，例如，在作大范围扫描时，由于探测光路中的激光器和PSD等是保持不动的(原因是扫描器无法带动它们作快速扫描)，扫描过程中探测光路可能会偏离甚至脱离微探针(微悬臂)，为此，需要研究设计全新的AFM探头。本实用新型提出了一种大尺寸大范围高分辨AFM新技术，建立大尺寸大范围高分辨AFM技术装备。采用压电陶瓷探头扫描(高分辨、100um×100um扫描范围)和步进电机大范围(30cm×30cm)移动相结合的方法，打破常规小范围AFM的局限性，实现超精密工件、大型光学部件、大镜头、大口径衍射光学器件、大型光栅等大样品的微纳米检测，满足我国国民经济和社会发展、科学技术及国防等领域的国家需求。

发明内容

本实用新型的目的是克服现有技术的不足，提供一种大样品大范围高分辨原子力显微检测装置。

大样品大范围高分辨原子力显微检测装置包括压电瓷扫描探头、光学平台、Y向步进电控平移台、样品台、待测样品、第一固定块、第二固定块、第一支撑柱、第二支撑柱、支撑梁、X向步进电控平移台、滑动块、L形固定块；在光学平台上两侧分别设有第一固定块、第二固定块，在光学平台上设有Y向步进电控平移台，第一固定块上设有第一支撑柱，第二固定块上设有第二支撑柱，Y向步进电控平移台上设有样品台，第一支撑柱、第二支撑柱上端设有支撑梁，在支撑梁上方安装X向步进电控平移台，滑动块安装在X向步进电控平移台上，滑动块下方设有L形固定块，L形固定块上安装有压电瓷扫描探头。

所述的压电陶瓷扫描探头包括位置敏感元件、第一小透镜、光电探测筒、半导体激光器、X轴压电陶瓷、Y轴压电陶瓷、Z轴压电陶瓷、横梁、第三固定块、第二小透镜、方形固定块、第四固定块、微悬臂-探针；第三固定块上垂直固定有横梁，在横梁上从右到左依次安装有位置敏感元件和第一小透镜构成的光电探测筒，半导体激光器以及三根相互垂直的X轴压电陶瓷、Y轴压电陶瓷和Z轴压电陶瓷，第二小透镜固定在方形固定块右侧，固定块的后侧、左侧及上侧分别与X轴压电陶瓷、Y轴压电陶瓷和Z轴压电陶瓷相连，固定块的下侧与第四固定块连接，固定块下面安装微悬臂-探针。

本实用新型的大范围大尺寸高分辨AFM技术及系统，其优点是结构简洁，技术条件易于实现。克服了常规样品扫描式AFM仅适用于小样品的小范围检测的局限性，设计了简单实用的透镜系统解决探针大范围扫描时的光路跟踪问题，实现大范围高精度的Z向反馈控制和大范围高分辨率的XY扫描成像，采用开放式的样品台和二维步进电机，可对大型超精密工件样品，在保持AFM的超高分辨率下实现任意区域大范围扫描检测。可望在微纳米检测、微纳米加工制备及微纳米操控等领域得到广泛应用。

附图说明

图1是大样品大范围高分辨原子力显微检测装置结构示意图；

图2是本实用新型的压电陶瓷扫描探头结构示意图；

图3(a)是扫描器未扫描时激光光路示意图；

图3(b)是扫描器在横向扫描时激光光路示意图；

图3(c)是无论有无横向扫描，激光始终会聚在微悬臂探针上的示意图；

图4(a)是无Z向反馈时激光光路示意图；

图4(b)是有Z向反馈时激光光路示意图；