原子力显微镜力传感器的设计

　　由悬臂梁与探针集成件组成的力传感器是原子力显微镜的一个关键部件，它直接影响原子力显微镜的性能和测试结果。由半导体材料(如Si,Si02 , Si3N‘等)制成的原子力显微镜(AFM)力传感器，其工艺主要是用微机械加工的方法，把悬臂梁与探针集成一体制出，这样可以进行结构参数优化，批量生产，成本低。因此在AFM中使用的力传感器，用硅材料已成为主体。本文有关AFM中的力传感器设计主要从这种类型出发。

      1 AFM工作原理及对力传感器的要求

        探针与样品原子之间在AFM中有两种类型相互作用力:①短程力，在针尖与样品表面接触时相互作用力主要是短程的原子间斥力。如泡利斥力和离子斥力、摩擦力等。②长程力，当针尖离开样品表面10~100 nm时的磁力、静电力和范德瓦尔斯力等。短程力的作用范围在0. 1 nm以下，因此AFM工作在接触模式下。而长程力的作用范围从零点几纳米到几百纳米，因此AFM工作在非接触模式下。AFM工作在不同模式其原理也不同。

　   　(a)接触式AFM                    (b)非接触式

        AFM原子力显微镜的工作原理见图1。图la是将一个对微弱力极为敏感的悬臂梁探针式的力传感器的一端固定，另一端的探针尖与样品表面轻轻接触。由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极端微弱的排斥力((1X10 ^-9左右)，通过扫描时控制排斥力恒定，悬臂探针(力传感器)将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而垂直于样品的表面方向起伏运动(梁弯曲变动)，利用梁弯曲变动的检测器检测悬臂梁探针对应于扫描各点的位置变化来获得样品表面态的信息。

　　图1b中AFM的探针与样品不接触，其间存在吸引力，将悬臂梁在接近其固有频率处激振，当探针接近样品凸起部位表面时，样品对悬臂探针产生吸附力，因而使悬臂梁的力弹性常数明显软化，结果引起固有频率减小，其振幅减小，如扫描经过凹陷部位时，其振幅增大。通过测量悬臂梁振动的振幅、相位或频率的改变可以测量固有频率的变化.图中反馈控制根据探针针尖振动情况的变化而改变加在垂直z向压电晶体上的电压，从而使振幅保持恒定，用驱动电压变化来表征被测表面态的信息。由于针尖距样品较远，因此其图像横向分辨率降低，一般为纳米级。检测AFM悬臂梁弯曲变形的方法见图2.

　　图2a为早期AFM用的方法，把AFM悬臂梁的弯曲变化用STM测量隧道电流来测出表面形态，因此要求AFM悬臂梁背面是金属面。表面粗糙度影响AFM图像质量。由于STM灵敏度很高，所以检测变形垂直分辨率可达1X10 ^-3 nm.