计量型原子力显微镜的位移测量系统(英文)
SPA-400 原子力显微镜 操作说明
SPA-400原子力显微镜操作说明工作原理原子力显微镜是基于量子力学理论中的隧道效应发展起来的一项应用技术。
它使用一个尖锐的探针扫描试样的表面,通过检出及控制微传感探针与被测样表面之间力的相互作用对被测表面进行扫描测量,能够准确地获得被测表面的形貌或图像。
成像模式原子力显微镜成像操作模式主要有接触模式(contact mode) 和非接触模式(noncontact mode) ,即轻敲模式。
前者将针尖与样品间的力或距离设为一定值,记录z 方向扫描器的移动而获得样品的表面形态或样品的图像; 后者又称为动态力显微镜( dynamic force microscopy ,DFM),悬臂在z 方向驱动共振,控制振幅或相差,记录z 方向扫描器移动而成像,针尖与样品可以接触,也可以不接触,适于易形变的软物质如生物分子表面。
DFM成像时的引力弱于接触模式AFM 测量时的排斥力,不会破坏观察的分子或使其变形。
DFM模式中的针尖和生物聚合物之间的界面力约等于聚合物链和云母表面间的范德华引力,所以不需要特殊的方法把聚合物固定在基质上。
样品的要求原子力显微镜研究对象可以是有机固体、聚合物以及生物大分子等，样品的载体选择范围很大,包括云母片、玻璃片、石墨、抛光硅片、二氧化硅和某些生物膜等,其中最常用的是新剥离的云母片,主要原因是其非常平整且容易处理。
而抛光硅片最好要用浓硫酸与30%双氧水的7∶3 混合液在90 ℃下煮1h 。
利用电性能测试时需要导电性能良好的载体,如石墨或镀有金属的基片。
试样的厚度，包括试样台的厚度，最大为10 mm。
如果试样过重，有时会影响Scanner 的动作，请不要放过重的试样。
试样的大小以不大于试样台的大小（直径20 mm）为大致的标准。
稍微大一点也没问题。
但是，最大值约为40 mm。
如果未固定好就进行测量可能产生移位。
请固定好后再测定。
一、系统的启动将SPI 3800 N电气部分的正面板中央的电源开关打到ON的位置（处于ON的位置时，开关点亮）。
原子力显微镜原理及使用方法
原子力显微镜原理及使用方法原子力显微镜（AFM）原理及使用方法1. 原理原子力显微镜（AFM）是将原子尺度的直接观测和测量的一种仪器，它利用了硅尖（或其它类型的纳米尖）与待测样品之间的亲和特性，使硅尖能够遵循样品的凹凸而被放大表示出来，从而可以实现对样品的尺寸、形状以及表面特性的定性和定量研究。
2. 上样工艺AFM的上样工艺要看具体的实验仪器，以水平原子力显微镜为例，这个设备通常将样品安装在试样台上，然后将一个小尺寸的硅尖放置在样品表面之上。
其技术主要是利用坐标轴控制机械部件，使尖头按照三个欧拉角X Y Z移动在Z轴垂直方向上作位移，满足特定条件后，就可完成样品的上样工艺。
3. 硅缕使用硅缕是AFM中最关键的部分，它的使用可分为两种主要的方法：一种是硅缕的精细调节，另一种是电驱动式调节。
细调节的方法利用激光器来产生激光束，然后使用尖端探测器测量激光束对硅缕对应表面起到的放大作用，使尖端保持正确的联系距离。
而电驱动式法是通过加电应力电偶来拉紧硅缕，当电偶施加的压力稳定的时候，硅尖就能够保持固定的电位，并能够实现测量样品的表面特性。
4. 测量原理样品表面的起伏改变了硅缕和样品表面的联系距离，而这种距离的变化会导致硅缕改变其表面电位，在原子力显微镜中，该变化会被检测，这种变化就称为外界力（本征力），通过分析这个力来检测样品表面的形状特征，确定表面结构的大小和精确度。
5. 测量方法AFM在测量中采用一种叫做“传输非线性格式测量”的方法，它利用微小压缩和张开作用来测量样品表面的曲率。
其中，收缩作用是对样品表面施加重力，使硅缕扭曲，这相当于一种“压力”；张开作用是将收缩表面的压力稳定，使尖端基本保持在样品表面的收缩位置，然后可以读取垂直收缩压力产生的力，可以读取出样品表面的凹凸尺寸特征。
6. 数据分析在AFM的数据分析中主要有两种方法：一种是直接分析原始图像；另一种行横向投影法。
在直接分析图像法中，首先使用原子力显微镜将表面图像存盘，然后再使用数据分析算法进行处理和分析，最后获得相应的表面特征信息，从而得到有关样品的准确信息。
扫描隧道显微镜与原子力显微镜
一、显微镜的发展
光学显微镜 高级显微镜
光学显微镜
16世纪末，荷兰的眼镜商Zaccharias Janssen, 第一台复合式显微镜，倍数太低
Leeuwenhoek磨制的单片显微镜的放大倍数 将近300倍
高级显微镜
1938年，德国工程师Max Knoll和Ernst Ruska制造出了世界上第一台透射电子显微 镜（TEM） 1952年，英国工程师Charles Oatley制造 出了第一台扫描电子显微镜（SEM）
E
< V。时，薛定谔方程为 ：
解得：
结论：从上两式知，当E <V。时，同E >V 。 时的情况一样，既有反射波，又有透射波， 即低能粒子能穿过能量高于自身的势垒， 到达势垒的另一边。隧道效应得到量子力 学完美的解释。
2．工作原理
+
U －
由量子力学可知，金属表面以外的电子密度随x增大而按指数衰减， 衰减长度约为1nm。 隧道电流 如将两块金属靠得很近（距离小于1nm），它们表面的电子云就会 发生重叠。 如在这两金属间加一微小电压，即可观察到它们之间的隧道电流。 隧道电流的大小与哪些因素有关？
用STM移动氙原子排出的“IBM”图案
STM优点
1. 2. 3. 4. 5. 具有原子级高分辨率 可实时得到实空间中样品表面的三维图像 可以观察单个原子层的局部表面结构 可在真空、大气、常温等不同环境下工作 配合扫描隧道谱（STS）可以得到有关表面 电子结构的信息 6. 利用STM针尖，可实现对原子和分子的移动和操 纵，这为纳米科技的全面发展奠定了基础
受样品因素限制较大（不可避免）
无阿贝误差计量型原子力显微镜
中 圈 分类 号 ： Ｂ ２ 文献 标识 码 ：Ａ Ｔ９
Ｍｅ ｒ ｌｇｃ ｌ ｏ ｃ Ｆ ｒｅ Ｍｉｒ ｓ ｏ ｅ ｗｉ ｒ ｂ ｆ ｅ ｔ ｏ ｉ ｍｉ ｏ ｃ ｃｏ ｃ ｐ ｔ Ｚｅ ｏ Ａｂ ｅ Ｏｆ ｔ ｏ ａ Ａｔ ｈ ｓ
Ｚ ＡＯ Ｋ —ｏ ｇ ． Ｈ Ｊ Ｂ ｅｈ ｅ２ Ｈ ｅ ｇｎ ． ｕｃｎ ｒ
计量 测试仪 器 ， 别 是该项技 术 在工业 中的应 用上 。 特 这 也 是 莪 们 研 制 计 量 型 原 子 力 显 微 镜 的 目的 。 随 着 微 电 子 工 业 、 机 械 和 纳 米技 术 发 展 ， 量 微 计 科学 家们从 上 世纪 八 十 年代 就 开 始探 索纳 米 计 量。 在 欧 盟 ， 多 个 国 家 计 量 科 研 机 构 与 大 学 、 究 所 和 由 研 企 业 共 同 成 立 了“ 米 计 量 ” 究 联 合 组 织 。 国 际 计 纳 研
微镜作 为～种 定 性 的观 察 仪 器 ， 致力 于 使 其成 为 而
ｌ 引言
扫 描 隧 道 显 微 镜 发 明 之 后 的 几 十 年 来 ， 种 技 这 术 像 雨 后 春 笋 般 发 展 起 来 ， 作 为 一 种 崭 新 的 技 术 并
手 段 已广 泛 应 用 在 对 表 面 的 研 究 和 固 体 表 面 范 围 内
特 别 是 在 与 方 向 的 阿 贝误 差 可达 ２ ｍ。 所 以 ， 其 测 量 空 间 范 围 内 ， 点 问 的 测 量 不 确 定 度 为 ： ～３ ｎ 在 两 Ⅳ；５ｎ ｍ＋２ ０ Ｌ 为两 点 间 的距 离 ） 车 文 报导 １９ （ ｘ１ 。 ９ ９年 “来 在 原 基础 上 所 作 的改 进 ， 陈 了 ３ 坐 消 个 标 方 向 上 的 阿 贝 误 差 ， 测 量 不 确 定 度 提 高 到 ： ＝２ｎ 将 ｍ＋１ ０ 。 ｌ一 ｘ 美 键词 ：计 量 型 原 子 力 显 微 镜 ；阿 贝误 差 ； 型 光 纤 传 导 平 面 檄 光 干 涉 仪 微
AFM
Tapping Mode(半接触式）
---- Phase Imaging(相位成像） • Lignin component appears bright in phase image • Phase image highlights cellulose microfibrils
Height
3µ scan m
30µ scan m
Contact Mode(接触式）
----LFM（横向力显微镜）
Contact Mode(接触式）
----LFM（横向力显微镜）
AFM工作模式
----NonContact Mode(非接触式）
在非接触模式中，针尖在样品表面的上方振动，始终不与 样品接触，探测器检测的是范德华作用力和静电力等对成像 样品没有破坏的长程作用力。 当针尖和样品之间的距离较长时，分辨率要比接触模式和 轻敲模式都低。这种模式的操作相对较难，通常不适用于在 液体中成像，在生物中的应用也很少。
NonContact Mode(非接触式）
----EFM(电场力显微镜）
电场力模式下的饱和三极管图像
NonContact Mode(非接触式）
----MFM(磁场力显微镜）
NonContact Mode(非接触式）
----MFM(磁场力显微镜）
High frequency data tracks overwritten with low frequency periodic signal
名 称
STM
AFM MFM
基本 原 理
工 作环 境
分 辨 率
1Å 0.1Å
~ 1Å ~ 10 nm nm级 数十 nm 100nm nm 数百
(横向) (纵向)
布鲁克 icon 原子力显微镜 力曲线 参数设置
一、布鲁克 icon 原子力显微镜简介布鲁克 icon 原子力显微镜是一种高级显微镜，能够以原子尺度来观察物质的表面形貌和性质。
它可以实现对样品表面的高分辨率成像、力曲线测量和参数设置等功能，广泛应用于材料科学、纳米科技、生物医学等领域。
二、布鲁克 icon 原子力显微镜的工作原理介绍1. 原子力显微镜的成像原理布鲁克 icon 原子力显微镜采用探针与样品交互产生微小力的原理进行成像。
当探针与样品表面接近时，原子间作用力将导致探针的运动，根据探针的运动情况，可获得样品表面的形貌信息。
2. 力曲线测量原理布鲁克 icon 原子力显微镜能够通过探测探针的纵向位移，获得样品表面的硬度、粘附力等力学性质参数。
实现对样品表面性质的定量测量。
3. 参数设置原理在布鲁克 icon 原子力显微镜的实验中，参数设置十分重要。
包括扫描速度、扫描范围、探针硬度等参数的设置，直接影响着成像效果和力曲线测量结果的准确性。
三、布鲁克 icon 原子力显微镜的力曲线测量1. 力曲线测量的意义力曲线测量是原子力显微镜中的一项重要功能，它能够通过探针对样品表面施加的微小压力，产生探针与样品间的力曲线图，从而获得样品表面的力学性质参数。
2. 力曲线测量的步骤力曲线测量一般包括探针落下、接触样品、施加压力、撤离样品等步骤。
在实际操作中，需要设置好相关参数，确保力曲线测量的准确性。
3. 力曲线测量的应用布鲁克 icon 原子力显微镜的力曲线测量广泛应用于材料科学、纳米科技等领域，能够研究样品表面的硬度、粘附力、弹性模量等重要参数，为材料性能研究提供了重要依据。
四、布鲁克 icon 原子力显微镜的参数设置1. 扫描速度的设置扫描速度是原子力显微镜中重要的参数之一，它直接影响着成像的分辨率。
合理的扫描速度能够确保成像效果清晰，同时也能够提高工作效率。
2. 扫描范围的设置扫描范围是指探针在样品表面移动的范围，合理的扫描范围能够确保对样品表面的全面观察，同时也能够避免对样品的损伤。
原子力显微镜
Tapping mode
Strong (repulsive)-vibrating probe
原子力显微镜的系统结构
力检测部分
原子力显微镜
位置检测部分
反馈系统
原子之间的范德华力 微悬臂梁及针尖
表面形貌→微梁弯曲
微小悬臂有一定的规格，例如：长度、宽度、弹性系数以及针尖的形状，而这些 规格的选择是依照样品的特性，以及操作模式的不同，而选择不同类型的探针。
原子力显微镜的力曲线
原子力显微镜的几种操作模式
Operation mode
Force of interaction
Contact mode
Strong (repulsive)-constant force
Non-contact mode
Weak (attractive)-vibrating probe
各种显微镜测量范围比较
原子力显微镜的优缺点
主要优点
1.扫描样品表面, 顺序成象的方法也使克服Abbe了定律的 限制，其分辨本领不再受相应物理机制的波长所限，而是 取决于探针尖端的尺寸、探针与样品间的距离。
主要缺点
难以绝对定量物质 的性质； 获取数据速率较慢
2.AFM的使用环境宽松。电子显微镜等仪器对工作环境要 求比较苛刻，样品必须安放在高真空条件下才能进行测试。 而SPM既可以在真空中工作，又可以在大气中、低温、常 温、高温，甚至在溶液中使用。因此SPM适用于各种工作 环境下的科学实验。 3. AFM真正看到了原子 。AFM得到的是实时的、真实的 样品表面的高分辨率图像,其中包括了生物活体的在线监测 和物理化学反应的在线监测。 4.它不仅作为一种测量分析工具，而且还要成为一种加工 工具， 也将使人们有能力在极小的尺度上对物质进行改性、 重组、再造 。
AFM的测量原理是什么？台阶仪与AFM的测量对象有哪些相似和不同之处？使用台阶仪有哪些注意事项？实验上如何
AFM的测量原理是什么?台阶仪与AFM的测量对象有哪些相似和不同之处? 使用台阶仪有哪些注意事项？实验上如何制作台阶仪？台阶仪如何测量薄膜内应力？1.AFM的测量原理是什么？原子力显微镜的基本原理是：将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小的针尖，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微弱的排斥力，通过在扫描时控制这种力的恒定，带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样品的表面方向起伏运动。
利用光学检测法或隧道电流检测法，可测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品表面形貌的信息。
下面，我们以激光检测原子力显微镜（Atomic Force Microscope Employing Laser Beam Deflection for Force Detection, Laser-AFM）——扫描探针显微镜家族中最常用的一种为例，来详细说明其工作原理。
如上图所示，二极管激光器（Laser Diode）发出的激光束经过光学系统聚焦在微悬臂（Cantilever）背面，并从微悬臂背面反射到由光电二极管构成的光斑位置检测器（Detector）。
在样品扫描时，由于样品表面的原子与微悬臂探针尖端的原子间的相互作用力，微悬臂将随样品表面形貌而弯曲起伏，反射光束也将随之偏移，因而，通过光电二极管检测光斑位置的变化，就能获得被测样品表面形貌的信息。
在系统检测成像全过程中，探针和被测样品间的距离始终保持在纳米（10e-9米）量级，距离太大不能获得样品表面的信息，距离太小会损伤探针和被测样品，反馈回路(Feedback)的作用就是在工作过程中，由探针得到探针-样品相互作用的强度，来改变加在样品扫描器垂直方向的电压，从而使样品伸缩，调节探针和被测样品间的距离，反过来控制探针-样品相互作用的强度，实现反馈控制。
因此，反馈控制是本系统的核心工作机制。
本系统采用数字反馈控制回路，用户在控制软件的参数工具栏通过以参考电流、积分增益和比例增益几个参数的设置来对该反馈回路的特性进行控制。
微位移技术
对于外加控制电压，压电陶瓷相当于一个微法级 平行板电容器；每层之间粘结剂的弹性变形都对 输入输出有相当的影响所以并不是完全的平方关 系。 压电伸缩型陶瓷具有较大迟滞和蠕变、响应快和 温度对性能影响小等特点，而电致伸缩型陶瓷具 有较小的迟滞和蠕变的特点，但在响应时间及温 度对性能的影响等方面较电致伸缩型陶瓷差。
一、微位移技术介绍
微位移技术是超精密加工及检测中的一项关键 技术。
微位移技术包括：微位移机构、检测装置和控
制系统。
微位移机构 检测装置
控制系统
微位移机构：微位移机构是指行程小(一般小于
毫米级)、灵敏度和精度高(亚微米、纳微米级) 的机构。是微位移系统的核心。
检测装置：用传感器按一定规律将微位移机构
二、微位移机构
组成：微位移驱动器、微动工作台 作用：既可以作为微进给和微调节部件，也可作为工
艺系统动、静态误差补偿的关键部件。 分类： （1）直线电机式微位移机构 （2）机械传动式微位移机构 （3）扭转摩擦传动式微位移机构 （4）弹性变形传动式微位移机构 （5）压电元件与电致伸缩式微位移机构 （6）热变形式微位移机构 （7）磁致伸缩式微位移机构
微位移技术国内外的现状
随着纳米技术的地位在不断的攀升，发达国家都在纳米 技术的研究上投入了大量的资金和人力。美国国家关键技术 委员会将纳米技术列为政府重点支持的22项关键技术之一； 日本把纳米技术作为ERATO计划中6项优先高技术探索项目 之一；英国国家纳米技术(NION)计划已开始实行；欧洲的其 它国家也不示弱，把纳米技术列入了“尤里卡计划”。 美国LODTM机床上用的快速刀具伺服机构在±1. 27μm范 围内分辨率可达2. 5nm,频响可达100Hz;日本日立制作所采用 柔性支承导轨、压电驱动方式的微位移机构的位移精度为 ±0. 05μm,行程为±8μm,该机构均成功应用于电子束曝光机。 哈尔滨工业大学采用柔性支承导轨、步进电机驱动方式的微 位移机构的位移精度为±0. 05μm,分辨力为0. 01μm,行程为 20μm;国防科技大学采用柔性支承导轨形式、电致伸缩驱动 方式的微位移机构的分辨力为0. 1μm,行程为20μm。
原子力显微镜简介
原子力显微镜简介杨延莲国家纳米科学中心2007.3.301.原子力显微镜的发展历史2.原子力显微镜的基本原理3.原子力显微镜的要素4.原子力显微镜的操作模式5.原子力显微镜的针尖卷积效应与图像假像6.原子力显微镜的应用进展•三维扫描控制•控制电路•振荡隔离系统•微悬臂形变检测方法•微悬臂的设计思想及制作方法•基本成像模式•派生成像模式•谱学模式原子力显微镜的发展历史mmμmnm10-910-610-3m肉眼可见光学显微镜扫描电镜扫描探针显微镜扫描I扫描IZI 一次扫描扫描示意图扫描隧道显微镜(STM)的发明和原理1982年，IBM 苏黎世实验室的G. Binnig 博士和H. Rohrer 博士及其同事们发明了STM氙原子在镍(110)表面排成的最小IBM商标铜(111)表面上的铁原子量子围栏搬走原子写“中国”铂表面上一氧化碳分子排成的“纳米人”铁原子在铜(111)表面排成的汉字原子力显微镜(AFM)的发明由于STM是利用隧道电流进行表面形貌及表面电子结构性质的研究，所以只能直接对导体和半导体样品进行研究，不能用来直接观察和研究绝缘体样品和有较厚氧化层的样品。
1986年Binnig、Quate和Gerber发明了第一台原子力显微镜1987年Quate等人获得了高定向热解石墨（HOPG）的高分辨原子图像1987年，Quate等人获得了高定向热解氮化硼（HOPBN）表面的高分辨原子图像，其中HOPBN是第一个用AFM获得原子分辨图像的绝缘体。
原子力显微镜的派生功能摩擦力显微镜（FFM）磁力显微镜（MFM）导电AFM（CAFM）静电力显微镜（EFM ）表面电势成像（SP imaging）扫描电化学显微镜（SECM）扫描电容显微镜（SCM）扫描热显微镜（SThM）这些新型的显微镜，都利用了反馈回路通过针尖和样品的某种作用（光、电、热、磁、力等）来控制针尖在距表面一定距离处扫描，从而获得表面的各种信息。
原子力显微镜的基本原理在原子力显微镜的系统中，是利用微小探针与待测物之间的相互作用力，来研究待测物表面的形貌和物理化学特性。
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第２Ｏ卷第４期 ２Ｏ１２年４月 光学精密工程
Ｏｐｔｉｃｓ ａｎｄ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ＶｏｌＪ ２Ｏ Ｎｏ．４
Ａｐｒ．２Ｏ１２
文章编号 １００４—９２４Ｘ（２０１２）０４—０７９６—０７ 计量型原子力显微镜的位移测量系统
伟，高思田 ，卢明臻，施玉书，杜 （中国计量科学研究院，北京１０００１３）
摘要：针对纳米结构表征和纳米制造的质量控制需要，中国计量科学研究院设计并搭建了一台计量型原子力显微镜用于 纳米几何结构的测量。为了将位移精确溯源到国际单位米，研制了单频８倍程干涉仪测量位移，样品表面形貌则由接触 式原子力显微镜测量。一个立方体反射镜与原子力显微镜的测头固定，作为干涉仪的参考镜。两个互相垂直的干涉仪 用于测量样品与探针在－ｚ— 方向的相对位置。样品台置于具有三面反射镜的零膨胀玻璃块上，由压电陶瓷位移台驱 动。另外两台干涉仪测量样品与探针在ｚ方向的位移，探针针尖位于干涉仪光束的交点以减小Ａｂｂｅ误差。由于光学器 件的缺陷产生的相位混合会引起非线性误差，采用谐波分离法拟合干涉信号来修正误差，修正后干涉仪测量误差减小为 ０．７ ｎＦｎ。 关键词：原子力显微镜；纳米计量；位移测量；多倍程干涉仪；非线性 中图分类号：ＴＨ７４２．９ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３７８８／ＯＰＥ．２０１２２００４．０７９６
Ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｍｅｔｒｏｌｏｇｉｃａｌ ａｔｏｍｉｃ ｆｏｒｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ
ＬＩ Ｗｅｉ，ＧＡＯ Ｓｉ—ｔｉａｎ ，ＬＵ Ｍｉｎｇ—ｚｈｅｎ，ＳＨＩ Ｙｕ—ｓｈｕ。ＤＵ Ｈｕａ （Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００１３，Ｃｈｉｎａ） ＊Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ａｕｔｈｏｒ，Ｅ－ｍａｉｌ：ｇａｏｓｔ＠ｎｉｍ．ａＣ．ｃｎ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｉｎｇ ｔｈｅ ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｎａｎｏ—ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｑｕａｌｉｔｙ，ａ ｍｅｔｒｏｌｏｇ ｉｃａ１ Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（ＡＦＭ）ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎｄ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ ｉｎ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｅｔｒｏｌｏ— ｇＹ．Ｔｏ ｔｒａｃｅ ｔｈｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｔｏ ｔｈｅ ＳＩ ｕｎｉｔ，ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｓａｍｐｌｅ ａｎｄ ＡＦＭ ｐｒｏｂｅ ｉｓ ｍｅａｓ ｕｒｅｄ ｗｉｔｈ ｈｏｍｏｄｙｎｅ ８－ｐａｓｓ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅ ｉｓ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｂｙ ＡＦＭ ａｔ ａ ｃｏｎｔａｃｔ ｍｏｄｅ．Ａ ｃｕｂｅ ｗｉｔｈ ｍｉｒｒｏｒｓ ｉｓ ｆｉｘｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｏｂｅ ａｓ ｔｈｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｍｉｒｒｏｒ ０ｆ ｉｎｔｅｒｆｅｒ— ｏｍｅｔｅｒｓ，８０ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｐｒｏｂｅ ｉｎ ｔｈｅ —Ｙ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅ ｉｓ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｂｙ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒｓ．Ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅ ｓｔａｇｅ ｉｓ ｆｉｘｅｄ ｏｎ ａ ｃｏｒｎｅｒ ｂｌｏｃｋ ｗｉｔｈ ｍｉｒｒｏｒｓ ｏｎ ｔｈｒｅｅ ｓｉｄｅｓ ａｎｄ ｄｒｉｖｅｎ ｂｙ ａ ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍｏｔｉｏｎ ｓｔａｇｅ．Ｔｗｏ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒｓ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｍｅａｓｕｒｅ ｔｈｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｓａｍｐｌｅ ａｎｄ ｐｒｏｂｅ ｉｎ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｐｒｏｂｅ ｔｉｐ ｉｓ ｐｏｓｉｔｉｏｎｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｓｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒｓ ｉｎ ３ ｄｉｒｅｃ— ｔｉｏｎｓ ｔｏ ｍｉｎｉｍｉｚｅ ｔｈｅ Ａｂｂｅ ｅｒｒｏｒ．Ａｓ ｔｈｅ ｐｈａｓｅ ｍｉｘｉｎｇ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｄｅｆｅｃｔ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｅｌｅｍｅｎｔ ｗｉｌｌ ｃａｕｓｅ ｔｈｅ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｅｒｒｏｒ，ａ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｏ ｆｉｔ ｔｈｅ ｉｎｔｅｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ ｓｉｇｎａｌｓ ａｎｄ ｔｏ ｃｏｒｒｅｃｔ ｔｈｅ ｅｒｒｏｒ．Ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｅｒｒｏｒ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｒｅｄｕｃｅｄ ｔｏ ０．７ ｎｍ，
Ｒｅｃｅｉｖｅｄ ｄａｔｅ：２０１２－０２－２５；Ｒｅｖｉｓｅｄ ｄａｔｅ：２０１２—０３—０６ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｉｔｅｍ：Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｂｙ Ｓｐｅｃｉａｌ Ｆｕｎｄ ｆｏｒ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｎｏｎ—ｐｒｏｆｉｔ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ（Ｎｏ．２００７ＧＹＪ００１）
李 第４期ＬＩ Ｗｅｉ，ｅｔ ａｌ：Ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｍｅｔｒｏｌｏｇｉｃａｌ ａｔｏｍｉｃ ｆｏｒｃｅ－ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ ７９７ ｗｈｉｃｈ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｓ ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｂｅｔｔｅｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｔｏｍｉｃ ｆｏｒｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ；ｎａｎｏｍｅｔｒｏｌｏｇｙ；ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｍｅａｓｕｒｅｍａｎｔ；ｍｕｌｔｉ—ｐａｓｓ ｉｎｔｅｒｆｅｒ ｏｍｅｔｅｒ；ｎｏｎｌｉｎｅａｒｉｔｙ
１ Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉ０ｎ Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｓｅｍｉｃｏｎ ｄｕｃｔｏｒｓ ｌｎｄｕｓ— ｔｒｙ ａｎｄ ｍａｔｅｒｉａｌ ｒｅｓｅａｒｃｈ，ｍｅｔｒｏｌｏｇｉｃａｌ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅｓ（ＳＰＭｓ）ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ａｃｃｕｒａｃｙ ａｒｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｌｙ ｄｅｍａｎｄｅｄ ｆｏｒ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｑｕａｌｉｔｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎ ｎａｎｏ—。ｍａｎｕ—— ｆａｃｔｕｒｉｎｇ．ＳＰＭｓ ｗｉｔｈ ｍｅｔｒｏｌｏｇｉｃａｌ ａｂｉｌｉｔｙ ａｒｅ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ａｎｄ ｓｅｖｅｒａｌ ｎａｔｉｏｎａｌ ｍｅｔｒｏｌｏｇｉｃａｌ ｉｎｓｔｉ— ｔｕｔｅｓ ｈａｖｅ ｂｅｇｕｎ ｔｏ ｄｅｖｅｌｏｐ ｌａｒｇｅ ｒａｎｇｅ ＳＰＭｓ ｗｉｔｈ ｍｅｔｒｏｌｏｇｉｃａｌ ａｂｉｌｉｔｙ ａｓ ｓｔａｎｄａｒｄｓ ］．Ａ ｌａｒｇｅ ｒａｎｇｅ ｍｅｔｒｏｌｏｇｉｃａｌ Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏ— ｓｃｏｐｅ（ＡＦＭ）ｈａｓ ｂｅｅｎ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｉｎ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ． Ｍｅｔｒｏｌｏｇｉｃａｌ ＳＰＭｓ ａｒｅ ｕｓｕａｌｌｙ ｕｓｅｄ ｔｏ ｌｅａ～ ｔｕｒｅ ｔｒａｃｅａｂｌｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｍｅ，ｎｔ．Ｔｈｅ ｄｉｓ— ｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｉｎ ＳＰＭｓ ｃａｎ ｂｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｂｙ ａ ｃａｐａｃｉ— ｔｙ ｓｅｎｓｏｒ ｔｈａｔ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｃａｌｉｂｒａｔｅｄ ｏｒ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍ— ｅｔｅｒｓ．Ｔｏ ｔｒａｃｅ ｔｈｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｔｏ ｔｈｅ ＳＩ ｄｉｒｅｃｔ－ ｌｙ，ｍｏｓｔ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｔｒｏｌｏｇｉｃａｌ ＳＰＭｓ ｕｓｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒ— ｏｍｅｔｅｒｓ ｔｏ ｍｅａｓｕｒｅ ｔｈｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ．Ｔｏ ｉｍ— ｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒｓ。ｍｕｌｔｉ— ｐａｓｓ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ ｓｕｂｄｉｖｉｓｉｏｎ ａｒｅ ａｐｐｌｉｅｄ． Ａｃｃｕｒａｔｅ ｔｏｐｏｇｒａｐｈｙ ｎｅｅｄｓ ｔｏ ｍｅａｓｕｒｅ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓａｍｐｌｅ ａｎｄ ｐｒｏｂｅ． Ｐｈｙｓｉｋａｌｉｓｈ—Ｔｅｃｈｎｉｓｃｈｅ Ｂｕｎｄｅｓａｎｓｔａｌｔ（ＰＴＢ）ｓｅｔ ｕｐ ａ ｌａｒｇｅ ｒａｎｇｅ ｍｅｔｒｏｌｏｇｉｃａｌ ＡＦＭ ｗｉｔｈ ｃｏｍ— ｍｅｒｃｉａｌ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒｓ￣ ．Ｆｏｒ ｓａｍｐｌｅ ｓｃａｎｎｉｎｇ ＡＦＭｓ，ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅ ｉｓ ｍｏｖｅｄ，ｔｈｅ ｐ ｒｏｂｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｉｓ ｓｔａｔｉｏｎａｒｙ．Ｏｎｌｙ ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅ ｍｏ、ｃｅｍｅｎｔｓ ｉｎ ３ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ．Ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ ｈａｓ ｆｉｘｅｄ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｍｉｒｒｏｒｓ ｉｎ ｔｈｅｓｅ ｍｅｔｌ’ｏｌｏｇｉｃａｌ ｓｙｓ— ｔｅｒｎｓ．Ｆｏｒ ｌａｒｇｅ ｒａｎｇｅ ＡＦＭ ｉｎ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｄｅ ｏｆ Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ（ＮＩＭ），ｔｈｅ ｐｒｏｂｅ ａｌｓｏ ｓｃａｎｓ ｉｎ ｓｍａｌｌ ｒａｎｇｅ．Ａｓ ａ ｒｅｓｕｌｔ，ｂｏｔｈ ｔｈｅ ｐｒｏｂｅ ａｎｄ ｓａｍｐｌｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎｓ ｒｅｑｕｉｒｅ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ— ｌｙ ｔｏ ｏｂｔａｉｎ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ．Ａ ｃｕｓｔｏｍ— ｉｚｅｄ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ ｉｓ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｐｅｃｉａｌ ｐｕｒｐｏｓｅ・ Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｓｙｓ— ｔｅｒｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｌａｉ‘ｇｅ ｒａｎｇｅ ＡＦＭ ｉｎ ＮＩＭ ｉｓ ｉｎｔｒｏ—— ｄｕｃｅｄ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒｓ．Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ，ａ ｄｅｔａｉｌ ｄｅ— ｓｃｒｉｐｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒｓ，ｔｈｅ ｎｏｎｌｉｎｅａｒｉｔｙ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ａｒｅ ｇｉｖｅｎ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｍｅａｓ— ｕｒｅｍｅｎｔ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ ｉｓ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ．
２ Ｅｘｐｅｒｉｒｎ．ｅｎｔ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄ ２．１ Ｍｅｔｒｏｌｏｇｉｃａｌ ｆｒａｍｅ Ｔｈｅ ｍｅｔｒｏｌｏｇｉｃａｌ ｆｒａｍｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ ｔｏ ｍｅａｓ— ｕｒｅ ｔｈｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓａｍｐｌｅ ａｎｄ ｐｒｏｂｅ ｉｎ ｔｈｒｅｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ ｂｙ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒｓ，ｓｏ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｉｓ ｔｒａｃｅｄ ｔｏ ＳＩ［．Ｆｏｒ ｂｏｔｈ ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅ ａｎｄ ｐｒｏｂｅ ａｒｅ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｐａｒｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｅｔｒｏｌｏｇｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｔｏ ｍｅａｓ— ｕｒｅ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｏｂｅ．Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｌｌｙ，ｔｈｅ ｐｒｏｂｅ ａｎｄ ｓａｍｐｌｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｓ ｉｎ ２ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｔｏ ｔｈｅ ｆｒａｍｅ ａｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ ｆｒｏｍ ｔｏｐ ａｎｄ ｄｏｗｎ． Ａｎｄ ａｎｄ ｙ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ａｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｔｏ ｅａｃｈ ｏｔｈｅｒ ｉｎ ａ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａ１ ｍｏｄｅ。 Ｆｉｇｕｒｅ １ ｓｈｏｗｓ ｔｈｅ ａ ｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎ— ｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｔｒｏｌｏｇｉｃａｌ ｆｒａｍｅ．Ｔｈｅ