[发明专利]具有包括运动挠性装置的支撑工作台的扫描探针显微镜

说明书

相关申请的交叉参考

本申请要求2010年10月29日提交的美国系列号为61/256,073的权利，其全文通过引用井入本文。

技术领域

本发明总体涉及显微镜，更具体地，涉及机电扫描装置，例如扫描探针显微镜(SPM)，它具有测量在样品扫描期间扫描装置位移的设备。

背景技术

机电扫描装置、例如SPM和力扫描探针显微镜(FSPM)通常使用扫描样品或以其他方式与样品互相作用的探针而用来产生特征或样品的图像。扫描器使探针和/或样品在水平平面或X-Y平面内相对于彼此运动，以便将探针定位在样品的期望位置上，所述探针和/或样品竖直地或在Z方向上相对于彼此运动以进行测量。扫描器可以将探针定位在样品表面上的一个位置或多个分散的位置以便进行期望的测量，或者可以以通常已知为光栅扫描的模式前后移动探针横穿样品。在一些设备中，探针相对于样品运动，而在另一些设备中，样品相对于探针运动。在又一些其它的设备中，扫描器包括用于使探针和样品二者平移的分体的致动器。例如，在一些设备中，X-Y致动器使样品相对于探针平移，而Z致动器使探针相对于样品平移。扫描器典型地安装在扫描头或工作台之内或之上，所述工作台支撑扫描器或者偶尔支撑其它设备、例如光学显微镜的部件。样品和探针之间的相互作用被记录为探针位置的函数，这些记录下来的相互作用被用于获取代表样品的部分的数据。

由于探针和样品的相互作用被作为探针位置的函数记录下来，所以在样品的取样期间也必需准确地了解探针的位置。如果图像是原子和亚原子级别的，每个取样位置之间的位移相当小，由此需要高度精确地了解探针的位置。

一些SPM通过使用施加到SPM的扫描器的电压来确定探针相对于样品的位置来使用开环控制将探针定位在样品上的期望位置处。其它的SPM使用闭环控制代替开环控制或者使用闭环控制作为开环控制的补充，所述闭环控制利用扫描器位移测量。已经开发了大量传感器和测量技术来准确测量样品扫描期间探针的位移，这些传感器有很多缺点。例如，已经发现很多传感器缺少对原子和亚原子探针的必要的敏感性，过大或者具有有限的感测范围，或者对能够对位移测量准确性产生不利影响的干扰非常敏感。

因此，在本领域仍然需要一种设备，所述设备提供样品扫描期间对机电扫描设备的探针位移的高度精准的测量。

发明内容

简要和概括地说，根据本发明一个方面的机电扫描设备包括传感器装置，所述传感器装置能够感测SPM扫描器在至少两个、优选三个互相正交维度上的位移。优选的传感器装置能够测量或感测这种扫描器的位移，所述扫描器具有例如10kHz的相对高的带宽和例如小于1nm的相对低的噪声。所述传感器装置被认为是相对紧凑的，并具有低的功率损耗，例如低于10mW。

根据本发明的一个方面，提供包括这种扫描器的扫描探针显微镜，所述扫描器具有适合于在第一或X方向和第二或Y方向上运动的压电致动器。所述扫描显微镜还具有第一传感器和第二传感器，所述第一传感器和第二传感器分别构造成用于感测致动器在第一和第二方向的位移。所述第一和第二传感器提供了独立的输出信号，所述信号彼此去耦，以便每个传感器提供关于致动器在特定方向上的位移的信息，而对另一个方向的位移不敏感。

根据本发明的另一个方面，SPM包括扫描器，所述扫描器从扫描头顶盖的开口延伸并可响应于施加给管的电压而在X、Y和Z方向运动。所述扫描头另外包括传感器-安装装置，所述传感器-安装装置包括与传感器的工作端联接的基座。所述基座构造成响应于扫描器在Z轴的位移而挠曲。杆与所述基座联接并以大体与所述扫描器邻近但空间上隔开的方式从基座向上延伸。所述杆响应于致动器在X方向或Y方向的位移而挠曲。应变计装置独立地测量扫描器在X、Y和Z方向的位移。所述致动器优选包括压电元件，更优选地包括压电管。

所获得的结构提供这样一种运动感测框架或装置，其中对每个自由度提供单独的约束并且其中所述约束至少基本上互相正交(也就是非简并的)。