[发明专利]扫描探针显微镜进针装置及方法

权利要求书

1.一种扫描探针显微镜进针装置，其特征在于，所述的进针装置包括控制器（4）、步进电机（8）、压电陶瓷扫描器（7）、激光光源（9）、光电传感器（10）、探针（2）和双通道反射式光纤位移传感器（1）；所述控制器（4）与步进电机（8）、压电陶瓷扫描器（7）、激光光源（9）、光电传感器（10）和双通道反射式光纤位移传感器（1）中的激光器（15）、接收器（16）电连接；所述步进电机（8）以垂直于水平面方向固定在扫描探针显微镜进针装置的底座，步进电机（8）连接压电陶瓷扫描器（7）；压电陶瓷扫描器（7）上设置样品台（11）；探针（2）针尖朝下，位于样品台（11）的正上方；探针（2）的上方安装有激光光源（9）；光电传感器（10）位于探针斜上方，接收探针（2）所反射的光斑的位置信号，并将光斑位置信号转换为电压信号送入控制器（4），控制器（4）通过光斑位置信号控制进针过程并判断进针是否完成。

2.按照权利要求1所述的扫描探针显微镜进针装置，其特征在于，所述的双通道反射式光纤位移传感器（1）由探头（20）、发射光纤（13）、接收光纤（12、14）、激光器（15）和接收器（16）构成；所述的探头（20）的顶端开有激光发射孔（18）和两个激光接收孔（17、19）；所述的探头（20）固定在扫描探针显微镜探针座（3）的侧面；探头（20）的顶端向下，垂直于被检测样品表面；探头（20）与探针（2）的垂直距离为H’，且Hmin-h0<H’<Hmax-h0，其中Hmin为双通道反射式光纤位移传感器（1）能够检测到的探头（20）与被测样品表面的最小距离，Hmax为双通道反射式光纤位移传感器（1）能够检测到的探头（20）与被测样品表面的最大距离，h0为粗进针结束时探针（2）与样品表面的距离；所述的发射光纤（13）的一端连接激光发射孔（18），发射光纤（13）的另一端连接激光器（15）；第一接收光纤（12）的一端连接第一激光接收孔（17），第一接收光纤（12）的另一端连接接收器（16）；第二接收光纤（14）的一端连接第二激光接收孔（19），第二接收光纤（14）的另一端连接接收器（16）。

3.按照权利要求1所述的扫描探针显微镜进针装置，其特征在于，所述的控制器（4）包括PC104嵌入式主板、步进电机控制模块、光电传感器信息检测模块、扫描器反馈控制模块和双通道反射式光纤位移传感器控制模块；所述的PC104嵌入式主板通过网络与上位机通信，接收上位机发送的指令并将采集的数据回传给上位机，利用PC104总线实现对步进电机控制模块、光电传感器信息检测模块、扫描器反馈控制模块和双通道反射式光纤位移传感器控制模块的控制；步进电机控制模块控制步进电机带动被检测样品进行对探针的逼近和远离动作；光电传感器信息检测模块检测光电传感器（10）的输出信号，判断探针（2）与样品表面的接触情况并为扫描器反馈控制模块提供输入信号；扫描器反馈控制模块用于控制压电陶瓷扫描器（7）的微位移运动；双通道反射式光纤位移传感器控制模块用于控制激光器发射激光束，通过接收器接收反射回的激光并经模数转换为控制程序能识别的数字信号。

4.按照权利要求2或3所述的扫描探针显微镜进针装置，其特征在于，所述的双通道反射式光纤位移传感器控制模块控制激光器（15）发射激光束，此激光束通过发射光纤（13）传导至探头（20）上的激光发射孔（18）；激光束从激光发射孔（18）垂直照射到被检测样品表面后，反射至探头（20）的两个激光接收孔（17、19），两个激光接收孔（17、19）接收到的光信号分别通过两根接收光纤（12、14）传导至接收器（16），接收器（16）将接收光纤（12）和接收光纤（14）的两路光信号分别转换为模拟电压信号Vs1和Vs2；所述的双通道反射式光纤位移传感器控制模块将两路模拟电压信号Vs1和Vs2分别转换为两路数字电压信号Vd1和Vd2，并将所述的两路数字电压信号Vd2和Vd1相除得到数字量Vd，数字量Vd和探头与样品表面距离H在Hmin<H<Hmax范围内单调一致，建立数字量Vd和探头（20）与样品表面距离H一一对应的查找表；所述的双通道反射式光纤位移传感器控制模块利用查找表通过数字量Vd判断探头（20）与样品表面距离H，根据公式H=h+H’，其中h为探针（2）与样品表面的距离，H’为探头（20）与探针（2）的距离，则可判断探针（2）与样品表面的距离h。

5.采用权利要求1所述的扫描探针显微镜进针装置的进针方法，其特征在于，所述的进针方法包括粗进针和细进针，具体操作步骤为：

a.第一次进针前，通过控制器（4）设定粗进针结束时探针（2）与样品表面的距离h0，控制器（4）的步进电机控制模块控制步进电机（8）带动被检测样品运动到样品表面与探针（2）的距离为h0的位置，控制器（4）的双通道反射式光纤位移传感器控制模块记录通过双通道反射式光纤位移传感器（1）采集得到的数字量Vd，并将该数字量Vd记录为常量VD；

b.控制器（4）通过步进电机控制模块控制步进电机（8）带动样品远离探针至1mm~2mm安全距离后，开始粗进针；

c.控制器（4）通过步进电机控制模块控制步进电机（8）以50um/s～100um/s速度带动样品台（11）上升，同时通过双通道反射式光纤位移传感器控制模块检测双通道反射式光纤位移传感器（1）输出数字量Vd，当Vd≤VD时，控制器步进电机控制模块停止步进电机运动，粗进针完成；

d.开始细进针，控制器（4）的扫描器反馈控制模块控制压电陶瓷扫描器（7）向Z方向伸长逼近探针（2），同时控制器（4）的光电传感器信息检测模块检测光电传感器（10）上由探针（2）反射激光光斑的位置偏转信号；当压电陶瓷扫描器（7）达到Z方向最大位移1um~8um时，如光电传感器（10）没有输出200mV~500mV突变电压信号，则扫描器反馈控制模块控制压电陶瓷扫描器（7）在Z方向缩短到最小位移0um位置，同时通过控制器（4）的步进电机控制模块控制步进电机（8）带动样品向探针(2)逼近，逼近位移量为压电陶瓷扫描器Z方向最大位移量；

e.重复步骤d，直至光电传感器（10）产生200mV~500mV突变电压信号为止，细进针完成。