利用纳米测量机实现大范围的计量型原子力显微镜

　　1　引　言

　　随着纳米技术的发展,人们越来越需要测量和操纵很小的器件。以扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)为代表的扫描探针技术的出现适应了这个要求。但是,由于用作扫描器的材料—压电陶瓷自身特性的限制,使得仪器的扫描范围不能做的很大,最大不过几百μm,这大大限制了扫描探针技术的应用范围。国外许多研究机构都在致力于大范围高精度测量仪器的开发,其中,德国Ilmenau技术大学的过程测量和传感技术研究所和SIOS公司利用微型激光干涉仪实现了一种高精度大范围的定位测量仪器—纳米测量机(NMM),通过配合不同类型的传感测头,实现不同方式的测量。我们在纳米测量机上安装了AFM测头,实现了25 mmⅹ25 mmⅹ5 mm大范围内的高精度测量。

　　2　纳米测量机的基本原理

　　我们的AFM测头安装在纳米测量机上,纳米测量机在整个测量系统中占有重要的地位,它的设计和构建充分考虑了大范围计量的要求,从原理上最大程度地减小误差来源。其工作原理见图1。

　　纳米测量机在x、y、z方向的3个测量轴上安装了3个激光干涉仪,它们的光轴交于一点,被测样响。在纳米测量机的定位过程中,角度误差的出现对测量影响很大,因此,纳米测量机安装了两个角度传感器,用来记录3个方向上的角度变化,实时进行修正。测量系统不同部件之间的不同热膨胀也将对测量产生直接的影响,但这项误差可以通过采用特殊的低膨胀系数的材料得以减小。在纳米测量机中激光干涉仪和表面传感测头的固定部件大部分采用零膨胀玻璃或不胀钢。另外,测量镜的精度也很大程度上决定了测量的不确定性,测量镜的表面形貌也会对测量结果产生直接的影响,因此,通过测量镜和标准镜进行比对得到的数据建立起一个模型,来对测量结果进行修正。数字信号处理是NMM控制技术的核心,大量的A/D和D/A转换器应用于NMM的监测与控制,将环境参数、位移和角度量、探针信号、限位开关信号接入电气箱,处理之后转化为6个动态驱动器的控制信号输出到NMM,在25 mmⅹ25mmⅹ5 mm范围内实现分辨力为0.1 nm的三维动态实时测量。纳米测量机的结构框图见图2。

　　3　仪器系统

　　仪器系统主要由纳米测量机和AFM测量系统两部分组成。

　　AFM测量系统的信号接入纳米测量机的比例积分微分(PID)控制器,用于纳米测量机的测量,然后通过控制软件对被测样品进行编程测量。利用MATLAB软件对测量数据进行显示和分析,获得表面的结构信息。仪器系统框图如图3所示。

　　4　实验结果分析

　　我们利用纳米测量机配合德国SIOS公司的AFM测头,实现了大范围内的高精度测量。仪器系统有4种工作方式,如图4所示,我们分别采用图示的第1、2、4种方式进行了测量。AFM工作在接触模式。