原子力显微镜及其探针组件

1.本发明涉及原子力显微镜技术领域，具体涉及一种原子力显微镜及其探针组件。


背景技术：

2.原子力显微镜是在扫描隧道显微镜基础上发展起来的新型探针显微镜技术，其成像原理是利用针尖与被测样品之间的原子间作用力扫描成像，在国际上已被广泛应用于纳米材料等多个领域的表面分析仪器。随着技术的发展，原子力显微镜的应用越来越广泛，不再局限于样品扫描，还被应用于原子分子的搬迁、微机械加工等多个领域。
3.随着原子力显微镜的应用范围的扩展，对原子力显微镜性能要求也日益提高，特别是对样品形貌的快速大范围扫描成像以及同一样品多定位点同时扫描成像这方面的要求来说，传统的单个针尖单次扫描已经无法满足。目前，使用原子力显微镜对样品表面进行大范围扫描时，单个探针针尖扫描样品表面形貌，不仅扫描速度慢，成像慢，而且针对样品上不同定点的形貌扫描，需要依次抬高针尖，确定定位点位置，再对定位点进行单次下针。这样不仅操作步骤繁琐，而且效率较低。
4.现有技术已有多探针阵列对样品进行扫描以提高效率的研究，例如中国专利申请cn109799367a提供了一种激光检测式四探针原子力显微镜的技术方案。该技术方案中的原子力显微镜包括四组探针，每一组探针配置一个激光检测组件来反馈悬臂梁的形变量，进而调节针尖的高度位置，即使用传统的光杠杆来对探针针尖的收缩进行反馈调节。该技术方案中存在以下问题：使用光杠杆反馈调节会造成多探针中的多个光路相互干扰；如果为了避免多光路相互干扰而设计复杂的光路系统，将限制了可以集成在阵列中的探针数量。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种原子力显微镜及其探针组件，以解决多个探针组件阵列集成时，反馈信号相互干扰的问题。
6.为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：
7.一种原子力显微镜的探针组件，包括形成有探针孔的探针基座以及设置在所述探针孔中的扫描探针，所述扫描探针包括悬臂梁；其中，
8.所述悬臂梁的第一端连接到所述探针孔的侧壁上，第二端与所述探针孔的侧壁之间具有间隙；所述悬臂梁的下表面临近于所述第一端的位置设置有压力传感器，所述悬臂梁的下表面临近于所述第二端的位置依次叠层连接有压电陶瓷层和探针针尖；
9.所述压力传感器用于将所述悬臂梁的形变机械力转换为相应的电信号并输出，以反馈所述探针针尖与待测样品之间的相互作用力。
10.优选的方案中，所述压力传感器为压阻式柔性压力传感器或电容式柔性压力传感器。
11.优选的方案中，所述悬臂梁的长度为100μm～500μm，所述悬臂梁的厚度500nm～5μm。
12.优选的方案中，所述悬臂梁是与所述探针基座基于硅晶圆材料刻蚀形成的一体成型结构。
13.优选的方案中，所述探针基座上设置有集成电路单元和图形化电连接线路，所述集成电路单元通过所述图形化电连接线路与所述压力传感器连接；所述集成电路单元用于接收所述压力传感器输出的电信号并将所述电信号输出至外部信号处理器件。
14.优选的方案中，所述探针针尖选自接触模式探针针尖、导电探针针尖、磁性探针针尖、大长径比探针针尖和全金刚石探针针尖中的任意一种。
15.优选的方案中，所述压电陶瓷层的材料选自钛酸钡、锆钛酸铅、铌镁酸铅和聚偏氟乙烯中的任意一种。
16.优选的方案中，所述探针基座上形成有多个呈阵列排布的所述探针孔，每一所述探针孔中分别设置有一个能够独立控制的所述扫描探针。
17.优选的方案中，多个所述探针孔在所述探针基座上呈m行
×
n列的阵列排布，同一行所述探针孔中对应的所有扫描探针的连接朝向相同；m和n分别为2以上的整数。
18.本发明的另一方面是提供一种原子力显微镜，包括如上所述的探针组件。
19.本发明实施例提供的原子力显微镜及其探针组件，在探针组件中设置了压力传感器，使用压力传感器将悬臂梁的形变机械力转换为电信号，来反馈调节探针针尖的高度位置。相比于传统技术中使用光杠杆反馈调节的方式，本发明在将多个探针集成阵列以对样品形貌进行快速大范围扫描成像，或者是同一样品多定位点同时扫描成像时，可以避免反馈调节相互干扰，极大地提高了扫描样品表面形貌的速度与效率。
附图说明
20.图1是本发明实施例提供的原子力显微镜的结构框图；
21.图2是本发明实施例提供的探针组件的俯视结构示意图；
22.图3是本发明一个实施例中的扫描探针的结构示意图；
23.图4是本发明另一个实施例中的扫描探针的结构示意图。
具体实施方式
24.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明并不限于这些实施方式。
25.在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
26.本发明实施例提供一种原子力显微镜，如图1所示，所述原子力显微镜包括依次电信号连接的探针组件100、数据分析系统200、控制系统300和反馈系统400。其中，所述探针组件100用于对待测样品进行测试，并将测试参数输出至所述数据分析系统200。所述数据分析系统200用于对从所述探针组件100接收到的测试参数进行采集并分析，将分析结果反馈至所述控制系统300。所述控制系统300基于所述分析结果发出控制指令至所述反馈系统400，所述反馈系统400基于所述控制指令向所述探针组件100发出调控信号，以调节所述探
针组件100的测试参数。
27.参阅图2和图3，本发明实施例中的所述探针组件100包括探针基座1和连接在探针基座1上的扫描探针2，所述探针基座1上形成有探针孔11，所述扫描探针2设置在所述探针孔11中。
28.优选的方案中，所述探针基座1上形成有多个呈阵列排布的所述探针孔11，每一所述探针孔11中分别设置有一个能够独立控制的所述扫描探针2，由此能够形成多探针阵列的扫描平台。更优选地，多个所述探针孔11在所述探针基座1上呈m行
×
n列的阵列排布，同一行所述探针孔11中对应的所有扫描探针2的连接朝向相同；m和n分别为2以上的整数。
29.作为一个具体的实施例，如图1所示，多个所述探针孔11在所述探针基座1上呈2行
×
5列的阵列排布，总共集成设置了10个扫描探针2。
30.本发明实施例中，如图3所示，所述扫描探针2包括悬臂梁21，所述悬臂梁21的第一端连接到所述探针孔11的侧壁上，与所述第一端相对的第二端与所述探针孔11的侧壁之间具有间隙，即所述悬臂梁21的第二端悬空在所述探针孔11中。所述悬臂梁21的下表面临近于所述第一端的位置设置有压力传感器22，所述悬臂梁21的下表面临近于所述第二端的位置依次叠层连接有压电陶瓷层23和探针针尖24。
31.其中，所述压力传感器22用于将所述悬臂梁21的形变机械力转换为相应的电信号并输出，以反馈所述探针针尖24与待测样品之间的相互作用力。所述压电陶瓷层23的作用为基于调控信号进行膨胀或者压缩，使得探针针尖24相对于待测样品表面的高度发生变化，达到针尖伸缩的目的。结合图1所示，所述压力传感器22输出的电信号是发送至所述数据分析系统200，所述反馈系统400发出的调控信号是用于控制所述压电陶瓷层23进行膨胀或者压缩，进而控制所述探针针尖24伸缩。
32.作为优选的方案，如图2所示，所述探针基座1上设置有集成电路单元3和图形化电连接线路4，所述集成电路单元3通过所述图形化电连接线路4与所述压力传感器22连接。所述集成电路单元3用于接收所述压力传感器22输出的电信号，并将所述电信号输出至外部信号处理器件。本发明实施例中，结合图1所示，所述集成电路单元3将从所述压力传感器22接收到的电信号进行处理后，输出至所述数据分析系统200。基于所述电信号反馈的所述探针针尖24与待测样品之间的相互作用力，由此反馈探针针尖24相对于待测样品表面的高度信息。
33.其中，如图2所示，所述图形化电连接线路4包括多条独立的连接线路将多个扫描探针2分别连接至所述集成电路单元3。进一步地，所述集成电路单元3将多个扫描探针2的电信号分别输出至所述数据分析系统200；另外，所述反馈系统400与多个扫描探针2之间也是分别进行电信号连接。即在信号控制回路中，每个扫描探针2具有独立的反馈通道和调节通道，多个扫描探针2是可以相互独立地进行反馈调节。
34.本发明实施例中，所述悬臂梁21的长度可以设置为100μm～500μm，厚度可以设置500nm～5μm。所述悬臂梁21的材料可以是硅或氮化硅。
35.作为优选的方案中，如图4所示，所述扫描探针2中的悬臂梁21是与所述探针基座1基于硅晶圆材料刻蚀形成的一体成型结构(图4中的虚线分界处表示两者是一体成型结构)，由此可以使得悬臂梁21与探针基座1之间的连接更加牢固，与将两者分别制备在进行连接的方式相比，制备工艺也更简单。
36.本发明实施例中，所述压力传感器22可以选择为压阻式柔性压力传感器或电容式柔性压力传感器。
37.其中，压阻式柔性力学传感器的工作原理是：当传感器检测到悬梁臂形变的作用力的时候，由于力的作用，使得传感器内部复合材料变形，间接改变内部导电填料的分布和接触状态，从而导致复合材料的电阻有规律的变化，其电阻变化公式为：δr/r＝πσ；其中δr为电阻变化值，r为初始电阻值，π为压阻系数，σ电导率，压阻系数是单位应力下所产生的电阻率的相对变化，由此公式可以转换出探针针尖与样品之间相互作用力的大小。
38.其中，电容式柔性压力传感器具体是叉指电极电容式柔性压力传感器，其工作原理是：当悬梁臂发生微形变，传感器接收到外界作用力，由于力的作用，电容式压力传感器中叉指电极间距发生变化，它的电容也随之发生有规律的变化，此时叉指电极两极板相当于平行板电容器，其电容的计算公式为：其中b是电极高度，ω是电极之间的间隙，n是电极指的数量，x＝d/λ是衬底厚度/波长。由此公式可以看出电容与间距变化呈线性，使得可以精确检测作用力的大小，进而转换出探针针尖与样品之间相互作用力的大小。
39.本发明实施例中，所述压电陶瓷层23的材料选自钛酸钡、锆钛酸铅(pzt)、铌镁酸铅(pmn)和聚偏氟乙烯(pvdf)中的任意一种。优选使用pvdf。
40.本发明实施例中，所述探针针尖24选自接触模式探针针尖、导电探针针尖、磁性探针针尖、大长径比探针针尖和全金刚石探针针尖中的任意一种。优选使用接触模式探针针尖。
41.如上实施例提供的原子力显微镜及其探针组件，对待测样品进行检测的过程包括：
42.(1)先将待测样品放置至原子力显微镜的样品台上，用气泵吸住待测样品，在系统控制中心选择待测样品需要扫描的范围，选取待测样品表面较大范围或待测样品上多个不同定位点的小范围。在原子力显微镜的显示系统中聚焦清楚样品表面，打开防震台，然后在探针接触模式下下针。
43.(2)当探针组件的探针针尖接触待测样品表面时，悬臂梁发生微形变，此时柔性压力传感器受到力的作用：当选择使用压阻式柔性力学传感器时，其电阻值发生线性变化，由电阻值的变化规律可以检测到探针针尖与待测样品表面之间相互作用力的大小；当选择使用叉指电容式柔性力学传感器时，叉指电极电极板之间的距离发生变化，电容随极板间距呈线性变化，由电容与极板间距的变化规律可以检测到探针针尖与待测样品表面之间相互作用力的大小。柔性压力传感器通过反馈回路将检测到的电信号传递至集成电路单元，由此集成电路单元收集到对应于多个探针针尖与样品表面作用力大小的数据。
44.(3)数据通过集成电路单元传递至数据分析系统，对数据进行分析，通过控制系统调整参数，再通过反馈回路，控制扫描台(探针组件)中特定探针的压电陶瓷薄膜膨胀或收缩，达到控制特定探针针尖伸缩的目的，调整探针针尖与样品之间相互作用力的大小，从而实现对样品表面形貌同时大范围扫描以及同时扫描不同定位点形貌的功能。这样不仅能够在短时间内实现对样品的大范围扫描，并且通过控制系统可以在同一时间内对同一样品不同定位点进行样品形貌扫描，提高了扫描效率。
45.综上所述，本发明实施例提供的原子力显微镜及其探针组件，在探针组件中设置了压力传感器，使用压力传感器将悬臂梁的形变机械力转换为电信号来反馈调节探针针尖的位置。相比于传统技术中使用光杠杆反馈调节的方式，本发明在将多个探针集成阵列以对样品形貌进行快速大范围扫描成像或者是同一样品多定位点同时扫描成像时，可以避免反馈信号相互干扰，极大地提高了扫描样品表面形貌的速度与效率。
46.需要指出的是，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种原子力显微镜的探针组件，其特征在于，包括形成有探针孔的探针基座以及设置在所述探针孔中的扫描探针，所述扫描探针包括悬臂梁；其中，所述悬臂梁的第一端连接到所述探针孔的侧壁上，第二端与所述探针孔的侧壁之间具有间隙；所述悬臂梁的下表面临近于所述第一端的位置设置有压力传感器，所述悬臂梁的下表面临近于所述第二端的位置依次叠层连接有压电陶瓷层和探针针尖；所述压力传感器用于将所述悬臂梁的形变机械力转换为相应的电信号并输出，以反馈所述探针针尖与待测样品之间的相互作用力。2.根据权利要求1所述的探针组件，其特征在于，所述压力传感器为压阻式柔性压力传感器或电容式柔性压力传感器。3.根据权利要求1所述的探针组件，其特征在于，所述悬臂梁的长度为100μm～500μm，所述悬臂梁的厚度500nm～5μm。4.根据权利要求1所述的探针组件，其特征在于，所述悬臂梁是与所述探针基座基于硅晶圆材料刻蚀形成的一体成型结构。5.根据权利要求1所述的探针组件，其特征在于，所述探针基座上设置有集成电路单元和图形化电连接线路，所述集成电路单元通过所述图形化电连接线路与所述压力传感器连接；所述集成电路单元用于接收所述压力传感器输出的电信号并将所述电信号输出至外部信号处理器件。6.根据权利要求1所述的探针组件，其特征在于，所述探针针尖选自接触模式探针针尖、导电探针针尖、磁性探针针尖、大长径比探针针尖和全金刚石探针针尖中的任意一种。7.根据权利要求1所述的探针组件，其特征在于，所述压电陶瓷层的材料选自钛酸钡、锆钛酸铅、铌镁酸铅和聚偏氟乙烯中的任意一种。8.根据权利要求1-7任一项所述的探针组件，其特征在于，所述探针基座上形成有多个呈阵列排布的所述探针孔，每一所述探针孔中分别设置有一个能够独立控制的所述扫描探针。9.根据权利要求8所述的探针组件，其特征在于，多个所述探针孔在所述探针基座上呈m行
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n列的阵列排布，同一行所述探针孔中对应的所有扫描探针的连接朝向相同；m和n分别为2以上的整数。10.一种原子力显微镜，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的探针组件。

技术总结
本发明公开了一种原子力显微镜的探针组件，包括形成有探针孔的探针基座以及设置在探针孔中的扫描探针，所述扫描探针包括悬臂梁，所述悬臂梁的第一端连接到探针孔的侧壁上，第二端与探针孔的侧壁之间具有间隙；所述悬臂梁的下表面临近于第一端的位置设置有压力传感器，所述悬臂梁的下表面临近于第二端的位置依次叠层连接有压电陶瓷层和探针针尖；所述压力传感器用于将悬臂梁的形变机械力转换为相应的电信号并输出，以反馈探针针尖与待测样品之间的相互作用力。本发明中使用压力传感器将形变机械力转换为电信号，来反馈调节探针针尖的高度位置，避免了已有技术中在将多个探针集成阵列时光杠杆的反馈信号相互干扰的问题。阵列时光杠杆的反馈信号相互干扰的问题。阵列时光杠杆的反馈信号相互干扰的问题。


技术研发人员：王双兰 刘争晖 徐耿钊 张春玉 凌小伦 张珽
受保护的技术使用者：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所
技术研发日：2023.05.24
技术公布日：2023/9/14