一种超薄原子力显微镜测头制造技术

本发明专利技术公开了一种超薄原子力显微镜测头，该原子力显微镜测头采用一种超薄探针固定模块，探针固定模块包括：悬臂梁探针、压电陶瓷、探针夹持器、第一反射面、第一反射装置和第二反射装置，悬臂梁探针安装在探针夹持器中，悬臂梁探针的针尖位于探针固定模块的最低处，第一反射面位于悬臂梁探针的一侧，第一反射装置位于悬臂梁探针和第一反射面之间，第二反射装置位于悬臂梁探针和激光器之间，第三激光束被第二反射装置反射后从探针固定模块射出并形成第四激光束。本发明专利技术原子力显微镜测头中探针固定模块的Z向有效厚度仅为数毫米，可直接安装在工作距离大于该厚度的光学或电子显微镜下实现不同设备的集成联用。

A Ultrathin Atomic Force Microscope Probe

【技术实现步骤摘要】
一种超薄原子力显微镜测头
本专利技术属于原子力显微镜
，具体涉及一种竖直方向厚度超薄的探针固定模块以及基于该探针固定模块的原子力显微镜测头。
技术介绍
20世纪80年代原子力显微镜的出现使人们得以突破衍射极限对传统光学显微镜的限制，能够以亚纳米级的分辨力实现对各种材料的三维形貌表征。不仅如此，这一技术还能进行材料物理特性的原位检测甚至原子级的操纵与加工。经过三十余年的发展，原子力显微镜目前已被广泛应用于半导体工业、新材料、生命科学等领域，是微纳米尺度科学研究的必备工具之一。通过集成不同种类的检测装置以实现原位多物理场探测是当前仪器行业发展的重要趋势之一。原子力显微镜与各类光学显微镜及电子显微镜相结合能够进行原位高分辨形貌、成分和理化特性表征，可以显著提高检测效率，在生命科学、微电子等领域有着十分广阔的应用前景。然而由于结构尺寸上的限制，原子力显微镜与其他类型显微镜的集成存在一定的技术困难。当前主流原子力显微镜系统普遍采用微悬臂梁探针感知样品，当探针在样品表面扫描时，针尖与样品间的作用力使得微悬臂梁产生弯曲形变，这一微小形变经测头中的光杠杆光路放大并由光电探测器转换为电信号。作为原子力显微镜的核心部分，其测头通常体积较大，其Z向厚度尺寸可达数厘米。而电镜和光学显微镜的工作距离(电子枪出口或光学物镜下表面到样品的距离)一般只有几毫米到十几毫米，这就使得现有的原子力显微镜测头装置很难直接集成在电镜和光学显微镜工作台上。市面上现有的原子力显微镜-电镜联用系统大多采用自感应的音叉式探针或压阻探针。这类探针无需额外的检测光路，占用空间小，但在大气环境中易受干扰，应用限制较多。近年一些公司推出的原子力显微镜-拉曼/荧光显微镜联用设备则大多采用倒置式光学显微系统，这一方案可从结构上避免光学显微镜与原子力测头的机械干涉，但不足在于只能检测透明样品。原子力测头的体积主要取决于光杠杆光路的设计。现有的光杠杆光路大致可分为如图1～4所示的几种典型形式。在图1、2所示的光路中，激光经过直角棱镜20或透镜组23之后沿Z向竖直向下打在悬臂梁探针上，悬臂梁反射的光经一片或多片平面反射镜21反射至光电探测器上。对于采用此类光路的原子力显微镜，可在其上方或侧面安装光学显微镜。但为了不与光杠杆光路中的光学元件发生机械干涉，必须使用工作距离较长的低倍物镜。在图3所示的光路中，光杠杆与光学显微镜光路共用一个物镜，光杠杆激光束通过物镜聚焦在探针悬臂梁上，悬臂梁的反射光又被物镜收集并转换为平行光，再通过位于物镜上方的偏振分光镜24等元件投射到光电探测器上(物镜和偏振分光镜之间光路上设置有二向色镜22和四分之一波片25)。这种形式的光路能够最大限度地减小原子力测头所占空间，允许使用大数值孔径、短工作距离的高倍物镜。但由于需要将光杠杆光路耦合到光学显微镜中，该原子力测头无法与已封装好的商品化光学系统集成。此外，在图1～3所示的方案中，探针和样品的正上方设置有光学元件，会阻碍电子束的传播，因而这三种原子力测头均不适合与电子显微镜集成。在图4所示的结构中，激光束倾斜入射至探针上，反射光对称出射至光电探测器。这一设计的优势在于探针正上方的区域得到了释放，既可以安装光学显微镜也可以安装电子显微镜或其他类型设备。但为避免激光束被光学物镜外壳或电镜极靴遮挡，激光束必须以较大的倾角射向悬臂梁探针。当倾角过大时，悬臂梁上的反射光斑形状和反射强度会变差，进而影响光电探测器的输出信号质量。因此图4中的原子力测头只能用于工作距离较长的低放大倍率系统。如上所述，现有的几种光路形式使得原子力显微镜测头部分的Z向占用空间过大，不利于与光学显微镜(特别是正置高倍光学显微镜)、电子显微镜等设备集成。为减小原子力测头的体积，使之具有更好的兼容性和可集成性，有必要设计一种竖直方向(Z向)尺寸更为紧凑的新型测头结构。
技术实现思路
针对原子力显微镜因尺寸原因而难以与其他类型设备集成的问题，本专利技术的目的在于提供一种探针固定模块，该探针固定模块能够减小原子力显微镜测头的Z向厚度。本专利技术的另一目的是提供一种原子力显微镜测头，该原子力显微镜测头基于上述探针固定模块，能够直接安装在高倍光学显微镜、电子显微镜等设备工作台上，且不影响原设备自身功能和性能指标。本专利技术的目的是通过下述技术方案予以实现的。一种探针固定模块，包括：悬臂梁探针、压电陶瓷、探针夹持器、第一反射面、第一反射装置和第二反射装置，所述悬臂梁探针安装在探针夹持器中，悬臂梁探针的针尖位于探针固定模块的最低处，所述第一反射面位于所述悬臂梁探针的一侧，用于接收位于所述悬臂梁探针另一侧的激光器发射的第一激光束并将该第一激光束反射形成第二激光束，所述第一反射面与所述第一激光束之间所夹锐角为60°～67.5°；所述第一反射装置位于所述悬臂梁探针和所述第一反射面之间，第二激光束被第一反射装置反射后照射在所述悬臂梁探针上并被悬臂梁探针反射形成第三激光束；所述第二反射装置位于所述悬臂梁探针和所述激光器之间，所述第三激光束被所述第二反射装置反射后从所述探针固定模块射出并形成第四激光束。在上述技术方案中，所述第一反射装置为平行于第一激光束的第二反射面，所述第二反射面与悬臂梁探针分别位于所述第一激光束的两侧且第二反射面的镜面朝向该第一激光束，所述第二激光束被第二反射面反射后照射在所述悬臂梁探针上。在上述技术方案中，所述第一反射装置为第一反射结构和第二反射结构，所述第一反射结构为1个反射面或位于同一平面上且数量大于1的多个反射面，所述第二反射结构为1个反射面或位于同一平面上且数量大于1的多个反射面，所述第一反射结构和第二反射结构相互平行且镜面相对。在上述技术方案中，所述第二反射装置为平行于第一激光束的第四反射面，所述第四反射面与悬臂梁探针分别位于所述第一激光束的两侧且第四反射面的镜面朝向该第一激光束，所述第三激光束被第四反射面反射后形成所述第四激光束。在上述技术方案中，所述第二反射装置为第三反射结构和第四反射结构，所述第三反射结构为1个反射面或位于同一平面上且数量大于1的多个反射面，所述第四反射结构为1个反射面或位于同一平面上且数量大于1的多个反射面，所述第三反射结构和第四反射结构相互平行且镜面相对。在上述技术方案中，在所述第一反射装置和所述第二反射装置之间形成有通光孔，用于通过成像光路。在上述技术方案中，还包括：安装有所述第一反射面的第一调整架，用于调整该第一反射面与所述第一激光束的夹角。在上述技术方案中，还包括：与所述探针夹持器固装的压电陶瓷，用于激励悬臂梁探针产生振动或做Z向扫描。一种原子力显微镜测头，包括：所述探针固定模块和激光收发模块，所述激光收发模块包括：激光发射结构和激光接收结构，所述激光发射结构包括：所述激光器以及位于第一激光束光路上的第一会聚透镜，以使所述第一激光束穿过所述第一会聚透镜且第二激光束聚焦在所述悬臂梁探针上；所述激光接收结构包括：光电探测器和位于第四激光束光路上的第二会聚透镜，以使所述第四激光束穿过所述第二会聚透镜后投射在所述光电探测器的感光面上。在上述技术方案中，在所述第四激光束穿过所述第二会聚透镜后的光路上安装有滤光片，用于减少杂散光干扰。在上述技术方案中，所述光电探测器安装在二维调整台上，该二维调整台用于调整该光电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种探针固定模块，其特征在于，包括：悬臂梁探针(1)、压电陶瓷(2)、探针夹持器(3)、第一反射面(4)、第一反射装置和第二反射装置，所述悬臂梁探针(1)安装在探针夹持器(3)中，悬臂梁探针(1)的针尖位于探针固定模块(Ⅰ)的最低处，所述第一反射面(4)位于所述悬臂梁探针(1)的一侧，用于接收位于所述悬臂梁探针(1)另一侧的激光器(10)发射的第一激光束并将该第一激光束反射形成第二激光束，所述第一反射面(4)与所述第一激光束之间所夹锐角为60～67.5°；所述第一反射装置位于所述悬臂梁探针(1)和所述第一反射面(4)之间，第二激光束被第一反射装置反射后照射在所述悬臂梁探针(1)上并被悬臂梁探针(1)反射形成第三激光束；所述第二反射装置位于所述悬臂梁探针(1)和所述激光器(10)之间，所述第三激光束被所述第二反射装置反射后从所述探针固定模块(Ⅰ)射出并形成第四激光束。

【技术特征摘要】
1.一种探针固定模块，其特征在于，包括：悬臂梁探针(1)、压电陶瓷(2)、探针夹持器(3)、第一反射面(4)、第一反射装置和第二反射装置，所述悬臂梁探针(1)安装在探针夹持器(3)中，悬臂梁探针(1)的针尖位于探针固定模块(Ⅰ)的最低处，所述第一反射面(4)位于所述悬臂梁探针(1)的一侧，用于接收位于所述悬臂梁探针(1)另一侧的激光器(10)发射的第一激光束并将该第一激光束反射形成第二激光束，所述第一反射面(4)与所述第一激光束之间所夹锐角为60～67.5°；所述第一反射装置位于所述悬臂梁探针(1)和所述第一反射面(4)之间，第二激光束被第一反射装置反射后照射在所述悬臂梁探针(1)上并被悬臂梁探针(1)反射形成第三激光束；所述第二反射装置位于所述悬臂梁探针(1)和所述激光器(10)之间，所述第三激光束被所述第二反射装置反射后从所述探针固定模块(Ⅰ)射出并形成第四激光束。2.根据权利要求1所述的探针固定模块，其特征在于，所述第一反射装置为平行于第一激光束的第二反射面(5)，所述第二反射面(5)与悬臂梁探针(1)分别位于所述第一激光束的两侧且第二反射面(5)的镜面朝向该第一激光束，所述第二激光束被第二反射面(5)反射后照射在所述悬臂梁探针(1)上。3.根据权利要求1所述的探针固定模块，其特征在于，所述第一反射装置为第一反射结构和第二反射结构，所述第一反射结构为1个反射面或位于同一平面上且数量大于1的多个反射面，所述第二反射结构为1个反射面或位于同一平面上且数量大于1的多个反射面，所述第一反射结构和第二反射结构相互平行且镜面相对。4.根据权利要求2或3所述的探针固定模块，其特征在于，所述第二反射装置为平行于第一激光束的第四反射面(7)，所述第四反射面(7)与悬臂梁探针(1)分别位于所述第一激光束的两侧且第四反射面(7)的镜面朝向该第一激光束，所述第三激光束被第四反射面(7)反射后形成所述第四...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴森，卢念航，胡晓东，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12