基于原子力显微镜与机械切削的层析检测装置与方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种基于原子力显微镜与机械切削的层析检测装置与方法，其中的层析检测装置，包括用于在内部形成真空环境的设备外壳、原子力显微镜、机械切削装置、控制装置，以及样品承载装置；所述样品承载装置、所述机械切削装置与所述原子力显微镜均设于所述真空环境；所述原子力显微镜包括探针，以及用于驱动所述探针运动的探针驱动结构；所述机械切削装置包括切削刀，以及用于驱动所述切削刀运动的切削刀驱动结构；所述控制装置分别通过信号对所述探针驱动结构与所述切削刀驱动结构进行控制，进一步的，可通过探针物性测量和原位切削的交替使用形成三维物性层析成像。

【技术实现步骤摘要】
基于原子力显微镜与机械切削的层析检测装置与方法
本专利技术涉及物体检测领域，尤其涉及一种基于原子力显微镜与机械切削的层析检测装置与方法。
技术介绍
在对物体进行检测时，可以通过视觉的方式检测物体的三维形状，也可通过传感器对物体的外形进行检测，得到相应的外形信息。然而，现有的检测方式只能对物体的表面形状进行检测，无法获悉物体内部的信息(例如其内部的形状、物理性质等等)。故而，在现有相关技术中，可利用金刚刀对待测物体进行逐层的切削，再在每次切削后，将待测物体送至图像采集装置，图像采集装置可获取当前待测表面的图像，进而，基于所获取到的图像，可分析确定物体的相关信息。然而，图像所涵盖的信息比较有限，难以全面地反应待测表面实际的物理性能(例如图像难以有效反应出待测表面的起伏变化)。
技术实现思路
本专利技术提供一种基于原子力显微镜与机械切削的层析检测装置与方法，以解决检测到的信息比较单一，无法满足需求的问题。根据本专利技术的第一方面，提供了一种基于原子力显微镜与机械切削的层析检测装置，包括用于在内部形成真空环境的设备外壳、原子力显微镜、机械切削装置、控制装置，以及样品承载装置；所述样品承载装置、所述机械切削装置与所述原子力显微镜均设于所述真空环境；所述原子力显微镜包括探针，以及用于驱动所述探针运动的探针驱动结构；所述机械切削装置包括切削刀，以及用于驱动所述切削刀运动的切削刀驱动结构；所述控制装置分别通过信号对所述探针驱动结构与所述切削刀驱动结构进行控制；所述控制装置用于：通过所述切削刀驱动结构，控制所述切削刀到达切削预备位置；通过所述切削刀驱动结构和/或所述样品承载装置，控制所述切削刀切削所述样品承载装置上的样品表面，以形成当前待测表面；通过所述探针驱动结构，控制所述探针与所述当前待测表面处于相互作用位置，并通过所述探针驱动结构和/或所述样品承载装置，控制所述探针相对于所述样品做扫描运动，并利用所述探针对所述当前待测表面进行物性测量；其中，所述扫描运动多个测量点的物理信号变化将构成当前待测表面的物性图；重复以上过程，以利用机械切削再次切削试样表面并形成新的当前测量表面，重复探针表面物性测量和扫描。可选的，所述样品承载装置包括样品台，所述样品台设有冷冻组件，所述冷冻组件用于向处于所述样品台的所述样品提供冷源，以使得所述样品处于冷冻状态。可选的，所述冷源的冷冻温度处于液氮温度和室温之间。可选的，所述样品承载装置还包括纳米位移平台，所述样品台安装于所述纳米位移平台；所述纳米位移平台电连接所述控制装置；所述控制装置在通过所述切削刀驱动结构和/或所述样品承载装置，控制所述切削刀切削所述样品承载装置上的样品表面，以形成当前待测表面，具体用于：通过所述纳米位移平台，控制所述切削刀切削所述样品的表面。可选的，所述控制装置在通过所述探针驱动结构和/或所述样品承载装置，控制所述探针相对于所述样品做扫描运动时，具体用于：通过所述探针驱动结构和所述纳米位移平台，控制所述探针相对于所述样品做扫描运动。可选的，所述的层析检测装置，还包括光学装置，所述光学装置安装于所述设备外壳，所述光学装置朝向于所述样品承载装置所属区域，且所述样品处于所述样品承载装置与所述光学装置之间；所述样品承载装置的位置匹配于所述光学装置的焦平面，以使得处于所述样品承载装置的所述样品能够处于所述焦平面；所述光学装置用于：采集其覆盖范围内的实时图像，并将所述实时图像发送至所述控制装置；所述控制装置还用于：在所述探针相对于所述样品做所述扫描运动时，根据所述实时图像，确定不同时间所述探针针尖相对于所述样品的探针位置信息；所述控制装置在利用所述探针对所述当前待测表面进行物性测量时，具体用于：根据不同时间的所述探针位置信息与所述物理信号，确定所述当前待测表面的物性图。可选的，所述光学装置还用于导入第一辅助光，并将所述第一辅助光引导至所述当前待测表面，以在所述当前待测表面形成第一光斑；所述第一辅助光被配置为能够使得：所述当前图像中，所述探针的针尖区段所表现出的光谱信息区别于所述第一光斑所覆盖的区域范围内其他区域的光谱信息，所述针尖区段的尺寸范围小于20nm。可选的，所述光学装置还用于导入第二辅助光，并将所述第二辅助光引导至所述当前待测表面，以在所述当前待测表面形成第二光斑；所述第二辅助光被配置为能够使得：所述当前待测表面中，所述第二光斑的所覆盖的区域范围内发生变形。可选的，所述的层析检测装置，还包括电学测量装置，所述电学测量装置电连接所述探针与所述样品，以在所述探针与所述样品之间形成回路；所述电学测量装置还电连接所述控制装置，以获取不同时间的所述探针位置信息；所述电学测量装置用于：获取所述回路在不同时间的电学参数；根据不同时间的所述电学参数与不同时间的所述探针位置信息，确定所述当前待测表面的表面电学信息，所述表面电学信息表征了所述探针的针尖相对于所述样品到达不同位置时所述电学参数的变化；在完成所述样品的N次切削，并在每次切削后均获取到对应的表面电学信息之后，整合所述N次切削对应的N组表面电学信息。可选的，所述的层析检测装置，还包括激光组件，所述激光组件包括激光器与探测器，所述控制装置分别电连接所述激光器与所述探测器；所述探针包括悬臂与接触部，所述悬臂连接于所述接触部与所述探针驱动结构之间；所述激光器与所述探测器相对于所述设备外壳的位置是固定的，所述相互作用位置、所述激光器与所述探测器的位置相匹配，以使得：在所述探针相对于所述样品做所述扫描运动时，所述激光器的激光能够入射至所述探针的悬臂；所述控制装置还用于：在所述探针相对于所述样品做所述扫描运动时，控制所述激光器向所述悬臂入射激光，并获取所述探测器接收到的返回光的信号；所述物理信号是根据对应的返回光的信号确定的。可选的，所述激光器与所述探测器直接或间接安装于所述设备外壳，或者安装于光学装置；若所述激光器与所述探测器直接或间接安装于所述设备外壳，则：所述激光器与所述设备外壳之间设有热传导结构，所述探测器与所述设备外壳之间也设有热传导结构。可选的，所述控制装置还用于：在完成所述样品的N次切削，并在每次切削后均获取到对应的物性图之后，基于N张物性图，构成对应的三维层析图像；其中的N为大于或等于2的整数。可选的，所述探针包括悬臂、接触部，以及感应部件，所述悬臂连接于所述接触部与所述探针驱动结构之间；所述感应部件用于检测所述悬臂形变和/或形变应力，得到对应的感应信号；所述感应部件电连接所述控制装置，以将所述感应信号反馈至所述控制装置；所述物理信号是根据对应的感应信号确定的。可选的，所述的层析检测装置，还包括换针台，所述探针驱动结构设有探针安装部，所述探针通过探针夹持器可分离地安装于所述探针安装部，所述换本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于原子力显微镜与机械切削的层析检测装置，其特征在于，包括用于在内部形成真空环境的设备外壳、原子力显微镜、机械切削装置、控制装置，以及样品承载装置；所述样品承载装置、所述机械切削装置与所述原子力显微镜均设于所述真空环境；/n所述原子力显微镜包括探针，以及用于驱动所述探针运动的探针驱动结构；所述机械切削装置包括切削刀，以及用于驱动所述切削刀运动的切削刀驱动结构；所述控制装置分别通过信号对所述探针驱动结构与所述切削刀驱动结构进行控制；/n所述控制装置用于：/n通过所述切削刀驱动结构，控制所述切削刀到达切削预备位置；/n通过所述切削刀驱动结构和/或所述样品承载装置，控制所述切削刀切削所述样品承载装置上的样品表面，以形成当前待测表面；/n通过所述探针驱动结构，控制所述探针与所述当前待测表面处于相互作用位置，并通过所述探针驱动结构和/或所述样品承载装置，控制所述探针相对于所述样品做扫描运动，利用所述探针对所述当前待测表面进行物性测量；其中，所述扫描运动多个测量点的物理信号变化将构成当前待测表面的物性图；/n重复以上过程，以利用机械切削再次切削试样表面并形成新的当前测量表面，重复探针表面物性测量和扫描。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于原子力显微镜与机械切削的层析检测装置，其特征在于，包括用于在内部形成真空环境的设备外壳、原子力显微镜、机械切削装置、控制装置，以及样品承载装置；所述样品承载装置、所述机械切削装置与所述原子力显微镜均设于所述真空环境；
所述原子力显微镜包括探针，以及用于驱动所述探针运动的探针驱动结构；所述机械切削装置包括切削刀，以及用于驱动所述切削刀运动的切削刀驱动结构；所述控制装置分别通过信号对所述探针驱动结构与所述切削刀驱动结构进行控制；
所述控制装置用于：
通过所述切削刀驱动结构，控制所述切削刀到达切削预备位置；
通过所述切削刀驱动结构和/或所述样品承载装置，控制所述切削刀切削所述样品承载装置上的样品表面，以形成当前待测表面；
通过所述探针驱动结构，控制所述探针与所述当前待测表面处于相互作用位置，并通过所述探针驱动结构和/或所述样品承载装置，控制所述探针相对于所述样品做扫描运动，利用所述探针对所述当前待测表面进行物性测量；其中，所述扫描运动多个测量点的物理信号变化将构成当前待测表面的物性图；
重复以上过程，以利用机械切削再次切削试样表面并形成新的当前测量表面，重复探针表面物性测量和扫描。


2.根据权利要求1所述的基于原子力显微镜与机械切削的层析检测装置，其特征在于，所述样品承载装置包括样品台，所述样品台设有冷冻组件，所述冷冻组件用于向处于所述样品台的所述样品提供冷源，以使得所述样品处于冷冻状态。


3.根据权利要求2所述的基于原子力显微镜与机械切削的层析检测装置，其特征在于，所述冷源的冷冻温度处于液氮温度和室温之间。


4.根据权利要求2所述的基于原子力显微镜与机械切削的层析检测装置，其特征在于，所述样品承载装置还包括纳米位移平台，所述样品台安装于所述纳米位移平台；所述纳米位移平台电连接所述控制装置；
所述控制装置在通过所述切削刀驱动结构和/或所述样品承载装置，控制所述切削刀切削所述样品承载装置上的样品表面，以形成当前待测表面，具体用于：
通过所述纳米位移平台，控制所述切削刀切削所述样品的表面。


5.根据权利要求4所述的基于原子力显微镜与机械切削的层析检测装置，其特征在于，所述控制装置在通过所述探针驱动结构和/或所述样品承载装置，控制所述探针相对于所述样品做扫描运动时，具体用于：
通过所述探针驱动结构和所述纳米位移平台，控制所述探针相对于所述样品做扫描运动。


6.根据权利要求1所述的基于原子力显微镜与机械切削的层析检测装置，其特征在于，还包括光学装置，所述光学装置安装于所述设备外壳，所述光学装置朝向于所述样品承载装置所属区域，且所述样品处于所述样品承载装置与所述光学装置之间；所述样品承载装置的位置匹配于所述光学装置的焦平面，以使得处于所述样品承载装置的所述样品能够处于所述焦平面；
所述光学装置用于：
采集其覆盖范围内的实时图像，并将所述实时图像发送至所述控制装置；
所述控制装置还用于：
在所述探针相对于所述样品做所述扫描运动时，根据所述实时图像，确定不同时间所述探针针尖相对于所述样品的探针位置信息；
所述控制装置在利用所述探针对所述当前待测表面进行物性测量时，具体用于：
根据不同时间的所述探针位置信息与所述物理信号，确定所述当前待测表面的物性图。


7.根据权利要求6所述的基于原子力显微镜与机械切削的层析检测装置，其特征在于，所述光学装置还用于导入第一辅助光，并将所述第一辅助光引导至所述当前待测表面，以在所述当前待测表面形成第一光斑；
所述第一辅助光被配置为能够使得：
所述当前图像中，所述探针的针尖区段所表现出的光谱信息区别于所述第一光斑所覆盖的区域范围内其他区域的光谱信息，所述针尖区段的尺寸范围小于20nm。


8.根据权利要求6所述的基于原子力显微镜与机械切削的层析检测装置，其特征在于，所述光学装置还用于导入第二辅助光，并将所述第二辅助光引导至所述当前待测表面，以在所述当前待测表面形成第二光斑；
所述第二辅助光被配置为能够使得：
所述当前待测表面中，所述第二光斑的所覆盖的区域范围内发生变形。


9.根据权利要求6至8任一项所述的基于原子力显微镜与机械切削的层析检测装置，其特征在于，还包括电学测量装置，所述电学测量装置电连接所述探针与所述样品，以在所述探针与所述样品之间形成回路；所述电学测量装置还电连接所述控制装置，以获取不同时间的所述探针位置信息；
所述电学测量装置用于：
获取所述回路在不同时间的电学参数；
根据不同时间的所述电学参数与不同时间的所述探针位置信息，确定所述当前待测表面的表面电学信息，所述表面电学信息表征了所述探针的针尖相对于所述样品到达不同位置时所述电学参数的变化；
在完成所述...

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