基于AFM的微位移测量新方法研究

　　1　引　言

　　微位移是指亚微米或纳米级的位移,在科研和生产中,微小位移的测量一直是一个重要的课题。微位移的测量方法很多,光干涉法是常用的测量方法,简单采用条纹计数的方法只能准确到干涉光波长,采用外差干扰法可达到更高准确度,但系统往往较复杂;采用检测条纹移动的方法测量位移,干涉条纹易受许多因素和噪声干扰的影响而产生畸变,造成干涉条纹边缘不清晰,使微位移信息被淹没,而且干涉条纹质量易受所用干涉仪元件的影响[1,2]。其他常用的测量方法如电容测微仪,不但测量范围有限,测量分辨力与测量范围有关,而且存在非线性[3],对被测工件材料也有一定的要求[4]。为此,提出了一种测量微位移的新方法,该方法以具有高分辨力的原子力显微镜为工具,采用数字图像处理中的模板匹配方法[5]检测相邻序列图像的偏移,从而计算出物体的微位移,不但测量精度可达纳米量级,而且还可实现物体二维方向的微位移测量。

　　在原子力显微镜系统中,由压电陶瓷管构成的扫描器实现探针在样品表面的扫描,压电陶瓷的伸缩变形量非常微小,一般而言,控制电压每改变1V,伸缩量仅改变几个nm[6],因此,AFM的横向分辨力可达到纳米量级,纵向由于其特殊的工作原理具有更高的分辨力。然而压电陶瓷本身往往存在非线性,这会导致扫描图像的非线性畸变。现通过光束偏转法精确测定XY扫描器压电陶瓷的伸长量和控制电压之间的关系,获得压电陶瓷的非线性曲线,然后通过软件的方法对X,Y向的扫描电压进行逐点补偿[6],实现了压电陶瓷的非线性校正。实验结果表明校正后扫描获得的AFM图像的非线性畸变得到了很好的校正,图像像素间距基本相等。

　　2　原理和系统

　　AFM是通过探测原子间的相互作用力大小来探测物体的表面形貌的。当一个对微弱力极其敏感的微悬臂在纵向充分逼近样品表面时,探针尖端的原子与样品表面的原子之间就会产生相互作用的原子力,使微悬臂发生一定的偏转。微悬臂的偏转量与针尖到物体表面的距离成一定的曲线关系,通过检测微悬臂的偏转量就可以获得样品表面的微观形貌。

　　模板就是一幅已知的小图像,模板匹配就是在一幅大图像中搜寻目标,已知该图中有要找的目标,且该目标同模板有相同的尺寸、方向和图像,通过一定的算法就可以在图中找到目标,确定其坐标位置。模板匹配的算法有很多种,由于篇幅有限,这里不再详细介绍。

　　实验用到的AFM系统采用由压电陶瓷构成的扫描器驱动样品移动实现探针在样品表面的扫描。将样品和扫描器置于待测物体平台上,如图1所示。样品和扫描器在待测物体的驱动下沿X或Y方向每移动一个微小的距离,就由扫描器扫描获得一幅AFM图像,由此可获得一系列连续的序列图像,如图2所示,序列图像中前一幅图像的右端和后一幅图像的左端相同。接下来以Image1和Image2这两幅相邻序列图像为例说明如何计算待测物体的微位移,首先在Image1中在这两幅图像的相同部分选取某一个区域作为特征模板,该模板在Image1中的坐标不难得到,然后用模板匹配的方法即可获得该模板在Image2中的坐标位置。这样,根据同一模板在两幅相邻序列图像中的坐标,就可以很容易计算出这两幅图像在X或Y向相对移动的像素数。扫描获得的AFM图像的尺寸和每幅图像的像素数都是已知的,那么,图像X或Y向的像素间距不难计算出。由此,两幅图像相对位移量,即待测物体微位移的大小就可以计算出。如图2所示,Image2相对Image1移动的距离为S1。依次Image3相对于Image2移动的距离为S2,则Image3相对于Image1总的移动距离为D=S1+S2,即待测物体两次移动的总距离为D。