[发明专利]一种微观表面形貌测量装置及方法

说明书

本申请涉及一种微观表面形貌测量装置及方法。本发明包括音叉式石英晶振和粘贴在音叉式石英晶振振臂内侧的尖状物所组成的探测头、扬声器，采用音叉式石英晶振作为基本距离探测器件，晶振顶端在最优位置安装尖状物以增强相互作用力，提高距离分辨率并且对振臂间隙，振臂长，叉指宽度，叉指厚度关系提供了更优解；加外部扬声器作为高度调谐件，对音叉高度进行微调，可以使样品在高度不变的情况下，直接提取音叉与样品间的距离信号，另外，整体装置使用的器件都是便宜的非光学器件，性价比高，适合大面积的推广应用。

技术领域

本发明属于微观表面形貌测量技术领域，具体涉及一种微观表面形貌测量装置及方法。

背景技术

目前观测物体微观表面形貌的仪器主要是光学显微镜，最高分辨率在0.2微米，考虑到实际条件限制，通常分辨率在1微米左右，价格根据配置不同在20-40万之间。如此的价格，限制了其大面积的推广应用，如何使用非光学仪器对物体微观表面形貌进行观测对节约成本，推广应用有重大意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种微观表面形貌测量装置及方法，能够使用非光学仪器对物体微观表面形貌进行观测。

本发明解决其技术问题的技术方案为：一种微观表面形貌测量装置，包括音叉式石英晶振和固定设置在音叉式石英晶振振臂上的尖状物所组成的探测头、扬声器，所述音叉式石英晶振的底部通过金属支架与扬声器的振动膜固定连接，还包括信号源、跨阻抗前置放大器、锁相放大器、电脑、推免式功率放大器，所述音叉式石英晶振的一只管脚与信号源的信号输出端连接，所述音叉式石英晶振的另一只管脚与跨阻抗前置放大器的信号输入端连接，所述跨阻抗前置放大器的信号输出端与锁相放大器的信号输入端连接，所述信号源的同步信号输出端与锁相放大器的信号同步端连接，所述锁相放大器的信号输出端与电脑的D/A输入端连接，所述电脑的A/D输出端与推免式功率放大器的信号输入端连接，所述推免式功率放大器的信号输出端与扬声器连接。

所述尖状物黏贴在音叉式石英晶振振臂内侧。

还包括用于承载被测物的载物台和用于移动载物台的三维位移台，所述载物台设置在尖状物下方，所述载物台放置于三维位移台上。

所述音叉式石英晶振的振臂间隙g为430μm，振臂长L为7.4mm，叉指宽度a为0.65mm，厚度T为0.3mm。

所述尖状物露出振臂顶端0.5-1.5mm。

所述尖状物的尖端直径为10-50μm。

所述尖状物为金属丝尖状物或玻璃纤维尖状物或光纤尖状物。

所述扬声器位于音叉式石英晶振的正上方4厘米处。

所述扬声器直径为9厘米，输出电阻为4欧姆。

一种使用微观表面形貌测量装置的测量方法，包括以下步骤：

S1：将被测物放置在载物台上，保持音叉式石英晶振固定不动，三维位移台控制载物台移动，使被测物靠近尖状物；

S2：信号源向音叉式石英晶振的一只管脚输出正弦波，正弦波的频率为音叉式石英晶振的共振频率；音叉式石英晶振的另外一只管脚输出信号通过跨阻抗前置放大器送入锁相放大器，锁相放大器以信号源输入的参考频率为基准对音叉式石英晶振输出信号进行解调，获得一直流信号，并送入电脑进行采集；同时，电脑通过D/A转换输出一个从小到大的电压，通过推免式功率放大器送给扬声器驱动扬声器动作；

S3：测量音叉式石英晶振的输出电压幅值和电脑输出的驱动电压之间的关系，根据该关系选取音叉式石英晶振的最终目标电压；

S4：记录在最终目标电压下加在扬声器上的驱动电压，此驱动电压就反映了尖状物距离被测物表面的距离；

S5：通过三维位移台不停变动被测物X轴和Y轴的位置，使尖状物扫过整个表面，得到整个物体微观表面形貌。