小型自感应原子力显微镜测头及其标定
原子力显微镜实验报告_南京大学
原子力显微镜一、实验目的1.了解原子力显微镜的工作原理。
2．初步掌握用原子力显微镜进行表面观测的方法。
二、实验原理1.AFM（1）AFM的工作原理在AFM中用一个安装在对微弱力极敏感的微悬臂上的极细探针。
当探针与样品接触时,由于它们原子之间存在极微弱的作用力(吸引或排斥力) ,引起微悬臂偏转。
扫描时控制这种作用力恒定,带针尖的微悬臂将对应于原子间作用力的等位面,在垂直于样品表面方向上起伏运动, 因而会使反射光的位置改变而造成偏移量，通过光电检测系统(通常利用光学、电容或隧道电流方法) 对微悬臂的偏转进行扫描,测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化, 此时激光检测器会记录此偏移量，也会把此时的信号给反馈系统，以利于系统做适当的调整。
将信号放大与转换从而得到样品表面原子级的三维立体形貌图像。
AFM 的核心部件是力的传感器件, 包括微悬臂(Cantilever) 和固定于其一端的针尖。
根据物理学原理,施加到Cantilever 末端力的表达式为：F = KΔZΔZ 表示针尖相对于试样间的距离, K 为Can2tilever 的弹性系数，力的变化均可以通过Cantilever 被检测。
（2）AFM关键部位：AFM关键部份是力敏感元件和力敏感检测装置。
所以微悬臂和针尖是决定AFM灵敏度的核心。
为了能够准确地反映出样品表面与针尖之间微弱的相互作用力的变化,得到更真实的样品表面形貌,提高AFM 的灵敏度,微悬臂的设计通常要求满足下述条件: ①较低的力学弹性系数,使很小的力就可以产生可观测的位移; ②较高的力学共振频率; ③高的横向刚性,针尖与样品表面的摩擦不会使它发生弯曲; ④微悬臂长度尽可能短;⑤微悬臂带有能够通过光学、电容或隧道电流方法检测其动态位移的镜子或电极; ⑥针尖尽可能尖锐。
(3) AFM的针尖技术探针是AFM的核心部件。
如右图。
目前,一般的探针式表面形貌测量仪垂直分辨率已达到0.1nm ,因此足以检测出物质表面的微观形貌。
原子力显微镜课件PPT
物理吸附
亲水
疏水
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2. 毛细力及其对AFM测量的影响
Fa2Rh/r
在R = 50～100 nm，相对湿度在40～80％ 时，毛细力大约在几十nN数量级。
3. 液体中针尖－试件间的相互作用力
探针和试件都浸入液体内进行测量 时，可以完全消除毛细现象，因此可不受 毛细力的干扰，使测量时的作用力大大减 小，而且可以：
z
1
ki kc
h
故在恒力测量模式时，测出的试件廓形高低, 大于 真实的高低，即测量结果在垂直方向有放大作用， 造成测量廓形的误差
3)在AFM测量时, 针尖的预置力越大，纵向测量结果的放大作用也越大，即纵 向畸变也增大。为减小测量误差，应尽量采用小的针尖预置力。
4) AFM测量结果的纵向放大量（畸变）和微悬臂的刚度有关。在采用等间隙 测量模式时，从式中可看，采用刚度kc较低的微悬臂较为有利，可以减小纵 向测量误差。但如采用恒力测量模式时，为减小纵向测量误差, 应采用刚度较 高的微悬臂，这和采用等间隙测量模式时正好相矛盾。因此可知，微悬臂刚 度的选择和AFM的测量模式有关。
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3. 探针尖曲率半径对测量结果的影响
使 用 商 品 的 Si3N4 四 棱 锥 探 针 尖 检 测所获得的聚酰亚胺薄膜AFM图像
使用ZnO晶须作探针尖检测，所获 的聚酰亚胺薄膜AFM图像
3）AFM测量时利用的相互作用力 在接触测量时，检测的是它们间的相互排斥力； 在非接触测量时，检测的是它们间的相互吸引力
4）针尖－试件间其他作用力及其应用于各种扫描力显微镜
针尖－试件间相互作用的磁力，可制成检测材料磁性能的磁力显微镜(MFM)； 针尖－试件间相互作用的静电力，可制成检测材料表面电场电势的静电力显微镜 (EFM)； 探针－试件接触滑行时的摩擦力，可制成研究材料摩擦磨损行为的摩擦力显微镜 (FFM)；
实验技术中的半导体器件制备与测试指南的仪器选用与标定
实验技术中的半导体器件制备与测试指南的仪器选用与标定 在半导体器件制备和测试过程中，仪器选用和标定是关键的环节。正确选择和标定仪器，可以保证实验结果的准确性和可靠性，提高实验效率。本文将介绍一些常用的仪器，并分享一些仪器选用和标定的技巧。
1. 原子力显微镜（AFM） 原子力显微镜是用于表面形貌观察和表征的重要工具。在半导体器件制备过程中，AFM可以用来观察薄膜生长的形貌、表面缺陷和纳米结构的特征。选择AFM时，需要考虑其分辨率、力曲线测量能力、扫描范围和样品尺寸限制等因素。标定AFM时，可以使用标准表面或各种校准探针，比较实际观察到的表面结构与标准结果。
2. 透射电镜（TEM） 透射电镜是用于观察材料内部结构的重要工具。在半导体器件制备过程中，TEM可以用来观察纳米颗粒、晶粒结构和界面形貌。选择TEM时，需要考虑其分辨率、加速电压、样品尺寸和精密度等因素。标定TEM时，可以使用已知晶格常数的标准样品，测量晶格衍射峰的位置和强度，与已知值进行比较。
3. 激光扫描共聚焦显微镜（LSCM） 激光扫描共聚焦显微镜是用于三维图像重建和荧光成像的重要工具。在半导体器件制备过程中，LSCM可以用来观察材料的薄层结构、器件构造和荧光探针的分布。选择LSCM时，需要考虑其分辨率、扫描速度、激光波长和样品尺寸等因素。标定LSCM时，可以使用已知尺寸的标准微粒，测量其在图像中的像素大小和位置，与实际尺寸进行比较。 4. 电子束光刻机（EBL） 电子束光刻机是用于半导体器件制备中光刻工艺的重要工具。在半导体器件制备过程中，EBL可以用来制造微米和纳米尺寸的图形和结构。选择EBL时，需要考虑其分辨率、加速电压、曝光时间和对焦能力等因素。标定EBL时，可以使用已知尺寸的标准图形，在刻蚀后测量尺寸和形状，与设计值进行比较。
5. 电子束薄膜蒸发机（EBE） 电子束薄膜蒸发机是用于半导体器件制备中薄膜沉积的重要工具。在半导体器件制备过程中，EBE可以用来制备金属和半导体的薄膜。选择EBE时，需要考虑其蒸发速率、膜厚控制精度、膜品质和样品尺寸限制等因素。标定EBE时，可以使用已知厚度的标准薄膜，采用刻蚀或剥离等方法进行测量，与实际厚度进行比较。
【检测表征】一文详细了解原子力显微镜（AFM）的主要特征、测试过程及主要影响因素
【检测表征】一文详细了解原子力显微镜（AFM）的主要特征、测试过程及主要影响因素原子力显微镜（Atomic force microscopy，AFM）是用于研究纳米尺度材料的最通用、最强大的显微镜技术之一。
AFM的两个主要优点是能够保护三维（3D）图像和测量各种类型的表面。
AFM可以最少的样品获得原子级分辨率生成图像，在本文中详细讨论了AFM主要特征、测试原理等各个方面，特别是分析了影响AFM图像准确性的主要因素。
原子力显微镜主要特征AFM通常用于表征纳米级材料，其中包括与其定性和定量特性相关的有价值数据。
例如，它提供有关纳米材料的物理性质（形态、表面纹理、粗糙度等）以及尺寸、体积分布和表面积等信息。
科学家们表示，在同一扫描中可以对几种不同尺寸（从1 nm到8μm不等）的纳米材料进行表征，重要的是，AFM可以表征多种介质中的纳米材料，例如受控环境、环境空气以及液体分散体。
这项技术可用于根据纳米复合材料的空间分布研究纳米复合材料。
基于软件的AFM数据图像处理可以提供单个纳米颗粒的定量数据。
研究人员介绍了使用AFM表征纳米颗粒相对于其他显微镜的一些优势（例如扫描电子显微镜SEM和透射电子显微镜TEM），AFM通过3D 图像提供更高的分辨率，这有助于测量纳米颗粒的高度。
相比之下，SEM/TEM图像只能提供二维图像，因此，其定量评估能力有限。
此外，与SEM/TEM工艺相比，AFM操作简单、成本低廉，并且纳米级成像所需的实验室空间相对较少。
AFM测试过程及影响因素通常，AFM配备有一个悬臂，悬臂由一个扫描样本表面的尖锐探针组成。
悬臂梁由硅或氮化硅组成，其尖端半径曲率是以纳米尺度测量的。
在悬臂梁的一端，梁与压电位移致动器相连，由AFM控制，另一端则包含与试样相互作用的探针尖端。
当探针靠近表面时，由于表面相互作用，探针会受到吸引力或排斥力。
由于力的作用，悬臂梁偏转，这是通过激光束通过位置敏感光电二极管（PSPD）测量的。
原子力显微镜(AFM)原理及应用讲解
10 AFM的其他应用
利用AFM可以对样品进行表面原子搬运，原子蚀刻，从而制造纳米器件。
3 AFM工作原理
原理：
AFM是在STM的基础上发展起来的。 所不同的是，它不是利用电子隧道效应，而 是利用原子之间的范德华力（Van Der Waals Force）作用来呈现样品的表面特性。
假设两个原子一个是在悬臂的探针尖
端，另一个是在样本的表面，它们之间的作 用力会随距离的改变而变化，其作用力与距 离的关系如右图所示，当原子与原子很接近 时，彼此电子云斥力的作用大于原子核与电 子云之间的吸引力作用，所以整个合力表现 为斥力的作用，反之若两原子分开有一定距 离时，其电子云斥力的作用小于彼此原子核 与电子云之间的吸引力作用，故整个合力表 现为引力的作用。
1985年，IBM公司的Binning 和Stanford大学的Quate研发 出了原子力显微镜（AFM）， 弥补了STM的不足，可以用 来测量任何样品（无论导电 性与否）的表面。
2 AFM的结构简图
AFM针尖 AFM利用一个对微弱力极敏感的、在其一端带有一微小针尖的微悬臂，来代替STM 隧道针尖，通过探测针尖与样品之间的相互作用力来实现表面成像的（右上图）。
• 位置检测部分：
在AFM的系统中，当针尖与样品之间有了交互作用之 后，会使得悬臂摆动，所以当激光照射在悬臂的末端 时，其反射光的位置也会因为悬臂摆动而有所改变， 这就造成偏移量的产生。在整个系统中是依靠激光光 斑位置检测器将偏移量记录下并转换成电的信号，以 供SPM控制器作信号处理。
• 反馈系统：
• 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。
原子力显微镜的原理及其在纳米技术中的应用
原子力显微镜的原理及其在纳米技术中的应用原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）是一种能够对物质表面进行高分辨率成像、观察和分析的工具。
其原理是运用针尖与材料表面间的相互作用力探测表面形貌和性质。
本文将详细介绍原子力显微镜的基本原理和在纳米技术中的应用。
一、原子力显微镜的原理1.扫描震动式的设计原子力显微镜是一种通过扫描针尖对样品表面进行精准探测的显微镜。
针尖运动时产生的振动能够检测到样品表面形貌和结构。
其扫描震动式的设计基于谐振原理。
扫描针尖与样品表面之间有作用力，这种结果会导致针尖的振动。
2.针尖与样品间的相互作用力AFM的针尖必须具备反射杆和尖端，拥有较好的尺度和形状效应。
仪器通过感应针尖与样品之间的互相作用力，以机械臂与探针的相对运动来探测样品表面形貌及性质。
针尖接触样品表面后产生的万斯力会改变针尖的振动的振幅。
3.信封式皮扫描仪的使用在现代原子力显微镜中，信封式皮扫描仪被广泛应用，可以快速检测样品的形貌和特性。
信封式皮扫描仪不仅能够以很高的分辨率，而且能够在大范围内扫描样品，从而获得更准确的表面图像。
二、原子力显微镜在纳米技术中的应用1.纳米材料的研究原子力显微镜可以用于研究各种纳米材料，如量子点、金纳米粒子等。
由于其高分辨率和强大的成像优势，它可以揭示所有细节和表面特性。
原子力显微镜可以在不损伤样品的情况下进行非破坏性成像和分析，具有广泛的研究应用。
2.生物医学领域的应用原子力显微镜可以在细胞水平上对生物体进行研究，甚至可以在细胞内进行。
它使用非破坏性的方式扫描样品表面，具有非常高的分辨率，能够揭示生物样品的分子结构、表面形貌和纳米尺度下的物理和化学特性等，对于研究分子的运动、受体结构、细胞和组织的结构等方面具有重要的科学和生物医学意义。
3.纳米加工和表面处理原子力显微镜提供了一种便捷而强大的方式，可以实现在纳米尺度下进行样品加工和表面处理。
它可以通过控制扫描针尖与样品表面间的距离和采取不同的物理或化学手段，在表面上进行制造、刻蚀和表面修饰，从而生成微小的纳米结构或复杂纳米体系。
原子力显微镜的原理及应用ppt课件
AFM出现的意义
STM的原理是电子的“隧道效应”，所以只能 测导体和部分半导体
1985年，IBM公司的Binning和Stanford大学的 Quate研发出了原子力显微镜（AFM），弥补了 STM的不足
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成像原理
atom atom
atom atom
Expulsive force
Attractive force
5）光束偏转法。此方法由Meyer和Amer于 1988年发明，简便实用，广泛应用于目前 的商品化仪器。
须指出，由于针尖—样品之间的作用力是 微悬臂的力常数和形变量之积，所以无论 哪种检测方法，都应不影响微悬臂的力常 数，而且对形变量的检测须达到一纳米以 下。
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AFM应用技术举例
AFM可以在大气、真空、低温和高温、不同气 氛以及溶液等各种环境下工作，且不受样品导 电性质的限制，因此已获得比STM更为广泛的 应用。主要用途：
1. 导体、半导体和绝缘体表面的高分辨成像 2. 生物样品、有机膜的高分辨成像 3. 表面化学反应研究 4. 纳米加工与操纵
5. 超高密度信息存储 6. 分子间力和表面力研究 7 摩擦学及各种力学研究 8 在线检测和质量控制
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IBM科学家首次拍下单分子照片
二氧化锡薄膜
3、尽量避免针尖和样品表面的污染。如果针尖上有污染物， 就会造成与表面之间的多点接触，出现多针尖现象，造成假 像。如果表面受到了污染，在扫描过程中表面污染物也可能 粘到针尖上，造成假像的产生。
4、控制测试气氛，消除毛细作用力的影响。由于毛细作用力 的存在，在空气中进行AFM成像时会造成样品与针尖的接触面 积增大，分辨率降低。此时，可考虑在真空环境下测定，在 气氛控制箱中冲入干燥的N2，或者在溶液中成像等。溶液的 介电性质也可以影响针尖与样品间范德华作用力常数，从而 有可能减小它们之间的吸引力以提高成像分辨率。不过液体 对针尖的阻尼作用会造成反馈的滞后效应，所以不适用于快 速扫描过程。
原子力显微镜原理及操作流程讲义
6.2 表面物化属性的表征
AFM的一种重要的测量方法是力-距离曲线，它包含了 丰富的针尖-样品作用信息。在探针接近甚至压入样品表面 又随后离开的过程中，测量并记录探针所受到的力，就得到 针尖和样品间的力-距离曲线。通过分析针尖-样品作用力， 就能够了解样品表面区域的各种性质如压弹性、粘弹性、硬 度等物理属性；若样品表面是有机物或生物分子，还可通过 探针与分子的结合拉伸了解物质分子的拉伸弹性、聚集状态 或空间构象等物理化学属性；若用蛋白受体或其它生物大分 子对探针进行修饰(functionization)，探针则会具有特定 的分子识别功能，从而了解样品表面分子的种类与分布等生 物学特性。
AFM样品台示意图
[SPM Online]工作窗口
4.4 光电检测与反馈系统
目前AFM探测悬臂微形变的主要方法：光束 偏转法 用一束激光照在微悬臂的尖端，而用位置灵 敏光检测器(PSPD)来接收悬臂尖端的反射激光束， 并输出反映反射光位置的信号。由于悬臂的形变 会引起反射光束的偏移，导致反射光在PSPD上位 置的变化，进而产生反应悬臂的形变的电讯号， 以供调节压电扫描器的伸缩控制。
5.2 非接触模(Non-contact Mode)
非接触模式探测试样表面时悬臂在距离试样表面上方 5～10 nm 的距离处振荡。样品与针尖之间的相互作用由范德
华力控制，通常为 10N12，样品不会被破坏，而且针尖也不
会被污染，适合于研究柔嫩物体的表面。此模式的不利之处 是要在室温大气环境下完成。针尖-样品距离在几到几十纳米 的吸引力区域，对应图3中的3-4段。由于针尖-样品距离较大， 因此分辨率比接触式的低。到目前为止，非接触模式通常不 适合在液体中成像， 在生物样品的研究中也不常见。
原子力显微镜SPM-9500
简单版原子力显微镜(AFM)Nanoscope V Multimode 8操作方法修订1
原子力显微镜（AFM）Nanoscope V Multimode 8操作方法注意事项：1.开始实验时先开电脑再开控制器（controller）。
2.结束实验时先关控制器（controller）再关电脑。
3.不要对计算机上的设置如字体进行改动。
4. 操作软件关掉后，间隔至少10秒后再打开.5.不能用U盘，只能用CD刻录盘导出文件。
基本操作1. 开机A. 打开计算机和显示器。
B. 打开Nanoscope控制器。
C. 打开光学显微镜VOM光源电源。
注意：请严格遵守以上开机顺序进行操作，否则可能造成系统损坏。
2. 启动软件A. 双击桌面Nanoscope 8.15图标。
B. 点击显微镜图标，在弹出的Select Experiment框中选择实验模式：轻敲模式：框○1选Tapping Mode。
框○2选Tapping Mode in Air。
框○3选Tapping Mode in Air---Standard。
智能模式：框○1选ScanAsyst。
框○2选ScanAsyst in Air。
框○3选ScanAsyst in Air。
然后点击Load Experiment。
3.样品与探针的安装A. 选择合适的探针。
(见具体模式)B. 探针的安装：将探针支架（holder）放在滤纸上，由于探针很脆，用滤纸垫着，以防止用镍子夹探针时掉到桌面上破坏探针。
将探针正面朝上，悬臂朝外放在holder的探针槽里，并用holder上的铜原片压住。
C. 样品放置：（1）确认光学显微镜光斑在样品台中央，红色激光点在光斑中央。
再看电脑屏幕确认激光点进入Video图像视野里。
（2）首先用head上面的Down按钮将扫描管下移，使中间样品台升起。
将待观察样品用双面胶固定在金属原片上，用镊子夹住金属片，轻轻放在样品台边缘，注意，此时一定要轻放，否则容易破坏扫描管中的陶瓷材料，然后用镊子轻轻推金属片，使样品处在样品台中间；再用Up按钮将扫描管升起使扫描管上边缘与样品台平齐。
原子力显微镜的原理 原子力显微镜工作原理
原子力显微镜的原理原子力显微镜工作原理原子力显微镜是用来讨论包括绝缘体在内的固体材料表面结构的分析仪器。
紧要用于测量物质的表面形貌、表面电势、摩擦力、粘弹力和I/V曲线等表面性质，是表征材料表面性质强有力的新型仪器。
另外此仪器还具有纳米操纵和电化学测量等功能。
原子力显微镜的原理：原子力显微镜是利用原子间的相互作用力来察看物体表面微观形貌的。
AFM的关键构成部分是一个头上带有探针的微悬臂。
微悬臂大小在数十至数百mm，通常由硅或者氮化硅构成.探针针尖长度约几mm,尖端的曲率半径则在0.1nm量级。
当探针接近样品表面时，针尖和表面的作用力使微悬臂弯曲偏移。
这种偏移由射在微悬臂上的激光束反射至光电探测器而测量到。
当承载样品的压电扫描器在针尖下方运动时，微悬臂将随样品表面的起伏而受到不同的作用力,继而发生不同程度的弯曲.因此，反射到光电探测器中光敏二极管阵列的光束也将发生偏移.光电探测器通过检测光斑位置的变化，就可以获得微悬臂的偏转状态，反馈电路可把探测到的微悬臂偏移量信号转换成图像信号，通过计算机输出到屏幕上,同时依据微悬臂的偏移量掌控压电扫描器的运动。
原子力显微镜优点和缺点原子力显微镜（atomicforcemicroscope，简称AFM）利用微悬臂感受和放大悬臂上尖细探针与受测样品原子之间的作用力，从而达到检测的目的，具有原子级的辨别率。
由于原子力显微镜既可以察看导体，也可以察看非导体，从而弥补了扫描隧道显微镜的不足。
原子力显微镜是由IBM公司苏黎世讨论中心的格尔德·宾宁与斯坦福大学的CalvinQuate于一九八五年所制造的，其目的是为了使非导体也可以接受仿佛扫描探针显微镜（SPM）的观测方法。
原子力显微镜（AFM）与扫描隧道显微镜（STM）最大的差别在于并非利用电子隧穿效应，而是检测原子之间的接触，原子键合，范德瓦耳斯力或卡西米尔效应等来呈现样品的表面特性。
优点相对于扫描电子显微镜，原子力显微镜具有很多优点。
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小型自感应原子力显微镜测头及其标定 赵健;郭彤;马龙;傅星;胡小唐 【摘 要】A compact tapping mode self-sensing atomic force microscope (AFM) head was developed for the micro-nano dimensional measurement. A quartz tuning fork self-sensing probe was integrated into the head which could use its electrical signal to detect amplitude variations of the cantilever and did not need any external optical sensor. A signal detection circuit was conceived to amplify the weak current in the probe and to compensate for the inherent capacitance of the quartz tuning fork. A compact mechanical design has been realized to assemble the head under the microscope objective for the inspection of measurement situation and to shield outside interference. Several measurements were designed to calibrate the electro-mechanical coupling factor and sensitivity of the head. By means of the micro laser doppler system,the electro-mechanical coupling factor of head was calibrated as 145 nm/V, according to which the resonance amplitude of the cantilever in free space could be calculated. An experimental system was established based on the high precision positioning stage of nano-measuring machine ( NMM), with which the approach/retract tests were carried out to calibrate the sensitivity of the head as 0.47 nm/mV. The tests could be traced to the meter definition by interferometers in NMM. Besides, experimental results indicate that the non-linearity error of the AFM head is less than 1％ and the measurement stroke is on the level of hundreds of nanometers.%设计了一种小型轻敲式自感应原子力显微镜(AFM)测头以实现微/纳尺度下的几何量测量.轻敲式测头采用石英音叉式自感应探针,通过自身的电信号输出检测悬臂梁的振幅变化,无需额外的光学传感器.设计了测头的微弱自感应信号放大电路.并补偿音叉寄生电容对测量的干扰.机械结构紧凑便于将测头固定于光学显微镜下观察测量情况,同时屏蔽外界的干扰.利用显微激光多普勒测振系统,标定了测头机电耦合系数为145 nm/V,由此可以计算测头工作频率下悬臂梁的振幅.搭建了以纳米测量机(NMM)为高精度定位平台的测试系统,利用该系统对测头进行进/退针实验,标定测头的灵敏度为0.47 nm/mV,NMM内置的干涉仪保证标定直接溯源至"米"定义.实验表明测头的非线性误差小于1%.测量范围在百纳米级.
【期刊名称】《纳米技术与精密工程》 【年(卷),期】2011(009)002 【总页数】6页(P168-173) 【关键词】原子力显微镜(AFM)测头;轻敲模式;自感应探针;机电耦合系数;高精度定位平台
【作 者】赵健;郭彤;马龙;傅星;胡小唐 【作者单位】天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室,天津300072;天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室,天津300072;天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室,天津300072;天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室,天津300072;天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室,天津300072
【正文语种】中 文 【中图分类】TH741.4 随着纳米科技的蓬勃发展，作为其支撑技术的纳米表征技术日新月异.如今的纳米技术需要在微观领域实现对几何量信息、机械性能、化学性能、热学性能以及电磁性能等多种物理量的表征.几何量信息包括静态形貌和动态位移，往往是反映微观世界的基础，因此微/纳尺度下的几何量表征测量便成为重要的纳米表征手段. 微/纳几何量测量方法主要包括光学方法、触针轮廓术以及扫描探针等几种方法［1］.与前两种方法相比，扫描探针法在水平分辨力上优势明显.扫描探针显微镜(scanning probe microscope，SPM)是目前较为普遍的可以直接对微观样品进行测量、成像和操纵等多种功能的一类仪器，原子力显微镜(atomic force microscope，AFM)是 SPM 中较常用的一种设备［2］.AFM的基本原理较为简单，带有针尖的悬臂梁在样品表面进行扫描，针尖-样品间的相互作用力使悬臂梁发生偏转，通过检测悬臂梁的偏转以测量样品表面的形貌信息. 较早出现的AFM的工作模式为接触模式［2］，属于静态测量，即在测量过程中针尖与样品保持接触.由此，横向作用力对探针的干扰较大，测量信噪比较低.为了克服这一问题，各种动态模式AFM应运而生［3］，轻敲式 AFM［4］为其中之一. 在轻敲模式下，探针的悬臂梁保持振动，针尖与样品仅仅间歇接触，从而横向作用力被减小.悬臂梁振幅的变化表征样品表面的位移，较高的品质因数可以提升测量的信噪比. 较常用的测量悬臂梁振幅的方法是使用带有光学传感器的光杠杆或激光干涉仪［5］.这2种方法都需要对激光光斑进行对准.如果受到外界影响，造成激光光束漂移，则必须中断测量，重新进行一次该过程.此外，由于每根探针对应的激光反射点和光路都不同，更换探针必须进行重新对准.理想的AFM探针应该是自感应式的，即将传感器与探针集成，使探针自身可以感知悬臂梁的变化.目前的自感应探针包括电容式［6］、压阻式［7］和压电式［8］. 音叉探针是压电式探针中的一种，以音叉作为探针的激励源，具有稳定的高谐振频率和较高的品质因数，同时具有压电特性的音叉又可以用作探针的传感器.音叉探针往往由于弹性常数较大，在大气下的振幅被限制在亚纳米级甚至更低，因此该类探针一般工作在真空环境下［9］. 本文研究目的是设计可以在大气环境下工作的轻敲式自感应AFM测头.为了快速计算测头工作频率下悬臂梁的自由振幅，利用显微激光多普勒测振系统，标定了测头的机电耦合系数，搭建了以纳米定位测量机为平台的实验系统，标定了测头的灵敏度，并使用该系统对测头性能进行了初步评价. 1 测头的设计 1.1 自感应探针及其工作原理 自感应探针的结构如图1所示.探针由1个对称结构的石英音叉和1根氮化硅悬臂梁组合而成.悬臂梁呈U型，其自由端带有探针的针尖.悬臂梁的2条腿分别固定在音叉的双臂上.当音叉和悬臂梁处于xy平面时，探针针尖指向z方向.音叉的工作原理如图2所示.当对音叉施加交流电激励时，2个音叉臂在xy平面上按相反方向发生振动，相位相差180°.音叉臂的运动会使悬臂梁腿产生周期性变化的机械应力.在此作用力下，悬臂梁的末端带动针尖发生弯曲，移出xy平面.当悬臂梁腿的厚度小于其宽度时，探针针尖会主要沿着z方向进行振动.当两音叉臂沿远离其对称轴方向运动时，悬臂梁会发生沿z轴正方向的弯曲(如图2(a)所示).这一弯曲正是由于音叉臂引起的沿y轴的扭矩造成的.与之相反，当两音叉臂沿靠近其对称轴方向运动时，悬臂梁会发生沿z轴负方向的弯曲(如图2(b)所示).由此，音叉臂的运动通过悬臂梁就转化为探针针尖的运动.区别于传统的音叉类探针［10］，针尖的振动方向与其执行器的振动方向不在同一个平面内. 图1 自感应探针结构 图2 自感应探针的工作原理 通常情况下，轻敲式AFM悬臂梁的振幅需要达到百纳米级，相应弹性常数为几十N/m，但以往的音叉类探针由于针尖与音叉的振动方向相同，探针的弹性常数由音叉决定，达到上千N/m，因此只能工作于真空中或非接触模式.该探针通过独特的结构设计保持了悬臂梁较小的弹性常数，音叉作为振动的力传感器仅仅决定悬臂梁的谐振频率.由此，该探针将石英音叉稳定的谐振频率、高品质因数与硅悬臂梁合理的弹性常数集于一身. 将音叉和悬臂梁看成2个独立质量块(m1和m2)，通过两弹簧(k1和k2)连接音叉和悬臂梁，由于音叉具有高品质因数，所以只考虑悬臂梁的内部阻尼c2.故将整个探针等效为一双自由度系统，其力学模型如图3所示［11］.悬臂梁的力学传递函数为
图3 探针的等效力学模型 作为压电振荡元件，音叉决定了探针的电学特性，可将其等效为 Butterworth-Van Dyke模型［12］，如图 4所示.在该LRC串联谐振模型中，电感Ltf反映动能大小，对应力学模型中的有效质量;电容Ctf反映势能大小，对应力学模型中的弹性常数;电阻Rtf反映能量的消耗过程;而Cp则代表电路中的寄生电容.故探针等效电学模型的传递函数为
图4 探针的等效电学模型 1.2 测头微弱信号检测方法及电路设计 根据探针的电学特性，其内部的电流信号非常微弱，无法直接检测，故需转化为电压值.据此设计了探针微小信号检测及补偿电路，如图5所示.受探针所需激励电压的限制，首先将外界激励信号经过前置缩小网络施加于音叉的一个电极，同时对激励信号进行一阶低通滤波，滤除信号在传输过程中的高频耦合噪声.将音叉另一电