原子力显微镜的力传感器

　　引言

　　1982年IBM公司的G·Binnig和H.Rohrer成功地发明与研制了世界第一台扫描隧道显微镜(SeanningTunnelingM-ioroseope一STM)，使人类有史以来第一次能够实时地观察到单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理、化学性质，对表面科学、材料科学、生命科学和纳米级加工等领域的研究工作有重大意义和广阔的应用前景。G·Binnig和H·Roh-rer因此获1986年诺贝尔物理奖，1986年G·Binnig等人在STM技术的基础上发明与研制成功了原子力显微镜(AtomicFotceMieros。ope一AFM)“’，它不但具有原子级分辨率，而且还可测量样品表面的力学性质，基于AFM原理发展了扫描探针显微镜(SPM)家族。它们可在空气、真空、液体等各种环境下对导体、半导体和绝缘体材料直接观察固体表面的微细结构和进行纳米尺度结构的物理化学性质的测试。AFM不仅作为表面观测分析的手段，近年已发展成为操纵原子，实现纳米级加工的技术手段。在物理、化学、电化学、生物学、电子学、材料科学、医药学、度量学、微电子工业、微型机械制造和纳米加工等众多领域的研究和开发中，产生了不可估量的巨大推动作用[3]，AFM已成为人们观测和研究物　　体微观世界的强有力的工具。

　　由悬臂梁与探针集成件的力传感器是AFM的一个关键部件，它的结构和性能对AFM仪器的性能、测量分辨率和测量图象质量有极大的影响。因此AFM力传感器的设计、制造和性能测试近年来一直是人们研究的重要课题。

　　AFM基本原理[1][2]

         原子力显微镜由带针尖的力传感器、力传感器运动检测装置、监控力传感器运动的反馈回路、机械扫描(工作台)系统、图象采集、图象处理与显示系统组成，如图1所示。AFM有两种工作模式:一种是接触模式，如图1一a，力传感器—悬臂梁探针一端固定，另一端的针尖与被测样品的表面轻轻接触，由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的斥力(达10-9一10-7N)，因而样品与针尖之间存在小于o.lnm的间隙。通过扫描时，控制排斥力恒定，悬臂梁探针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表面方向起伏，其分辨率很高，达到原子级水平。利用光学反射法或其它检测方法检测悬臂梁起伏变化，因而可获得探针对应于扫描各点的位置变化，以获得样品表面态的图象信息。

　　图1一b是AFM工作在非接触模式下，针尖与样品之间间隙10~loonm左右，悬臂梁由激振器在其固有频率附近激振。当探针针尖接近样品表面时，由于样品对探针的吸引力，使悬臂梁的力弹性常数发生变化，引起固有频率变化，通过测量悬臂梁振动的振幅、相位或频率变化，改变加在Z方向上的压电晶体的电压，从而使振幅保持恒定。用驱动电压来表征被测表面图象的信息，对于这种模式力传感器的固有频率就是一个极其重要的参数。