本发明专利技术公开了一种测头扫描式原子力显微镜，包括：位移台，在XYZ方向移动以进行扫描，固定设置有跟踪透镜以及微悬臂探针，该跟踪透镜用于对入射光进行汇聚，该微悬臂探针对该跟踪透镜的出射光进行反射，该微悬臂探针的顶端始终位于该跟踪透镜的焦点处，使得在该位移台移动时，该跟踪透镜的出射光始终汇聚在该微悬臂探针上的同一位置；测头基座，该测头基座上设置有汇聚透镜以及位置灵敏探测器，该汇聚透镜用于接收该微悬臂探针的反射光并进行汇聚，使得该汇聚透镜的出射光线形成的光斑的中心始终位于位置灵敏探测器上的同一位置。本发明专利技术的技术效果在于，实现扫描面为平面，在扫描过程中消除测头横向移动时对光斑位置产生的影响，减少测量误差。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种原子力显微镜，特别是涉及一种测头扫描式原子力显微镜。
技术介绍
原子力显微镜的专利技术实现了纳米尺度的测量，对于纳米技术的发展起到了重要的推动作用。目前大多数原子力显微镜的测头采用光学杠杆法测量悬臂的偏转。从激光器中发出的光束被探针悬臂背面反射到光电探测器上。原子力显微镜工作时，扫描探针与样品表面高低起伏的形貌间的相互作用力的变化会引起悬臂梁的微小偏转，检测并记录下悬臂梁的偏转量即可得出被测样品表面的微观形貌。当悬臂弯曲变形时，探测器上的光斑位置也会相应发生变化，探测器到悬臂的距离远大于悬臂长度，所以对探针悬臂形变产生放大作用。较早出现的原子力显微镜采用样品台移动式。在这种扫描方式下，测头固定，通过位移台带着样品与测头做相对运动，这类探头的一个缺点是被扫描的样品需放置在压电陶瓷扫描器上，因而对被测样品的形状和尺寸有所限制。多数原子力测头用压电陶瓷管驱动探针来扫描样品，但是在这种方法中由于X、Y 方向位移是通过压电陶瓷筒的弯曲实现的，因此实际的X、Y的位移不是在一个平面上进行的而是一个曲面，造成激光聚焦点扫描为曲面。而且扫描时反射光在探测器上的位置会发生移动，产生测量误差。所以这种测头虽然设计简单，但不适用于高精度的测量。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题在于，提供一种测头扫描式原子力显微镜，使得扫描面为平面，同时，在扫描过程中消除测头横向移动时对光斑位置产生的影响，减少测量误差。为解决上述问题，本专利技术公开了一种测头扫描式原子力显微镜，包括位移台，该位移台可在CTZ方向移动以进行扫描，该位移台上固定设置有跟踪透镜以及微悬臂探针，该跟踪透镜用于对入射光进行汇聚，该微悬臂探针对该跟踪透镜的出射光进行反射，该微悬臂探针跟随该位移台做平面扫描，该微悬臂探针的顶端始终位于该跟踪透镜的焦点处，使得在该位移台移动时，该跟踪透镜的出射光始终汇聚在该微悬臂探针上的同一位置；以及测头基座，该测头基座上设置有汇聚透镜以及位置灵敏探测器，该汇聚透镜用于接收该微悬臂探针的反射光并进行汇聚，使得该汇聚透镜的出射光线形成的光斑的中心始终位于位置灵敏探测器上的同一位置。当该汇聚透镜的焦距为60mm，该汇聚透镜距离该微悬臂探针U9mm，该汇聚透镜距离该位置灵敏探测器203. 74mm时，该汇聚透镜的出射光线形成的光斑的中心始终位于位置灵敏探测器的中心处。该跟踪透镜的入射光为平行光。该测头基座上还设置有一直角棱镜，光线经该直角棱镜反射后入射至该跟踪透镜。该位移台为压电陶瓷位移台。该跟踪透镜设置在该微悬臂探针的正上方，在该位移台移动时，该跟踪透镜以及该微悬臂探针作为一个整体同时移动。该跟踪透镜包括第一透镜和第二透镜，该第一透镜的焦距为Π，该第二透镜的焦距为 f2，该汇聚透镜的焦距为f3，该第二透镜的中心与该第一透镜的焦点的距离为al，该微悬臂探针与该第二透镜的距离为a2，l/al+l/a2 = l/f2 ；该微悬臂探针的反射光的中心光线与该汇聚透镜的主光轴相交于第一相交点A，该汇聚透镜与该第一相交点A的距离为bl，该位置灵敏探测器与该汇聚透镜的距离为l32，l/bl+lA2 = l/f3。本专利技术还公开了一种测头扫描式原子力显微镜，包括位移台，该位移台可在CTZ方向移动以进行扫描，该位移台上固定设置有跟踪透镜以及微悬臂探针，该跟踪透镜用于对入射光进行汇聚，该微悬臂探针对该跟踪透镜的出射光进行反射，该微悬臂探针的顶端始终位于该跟踪透镜的焦点处，使得在该位移台移动时，该跟踪透镜的出射光始终汇聚在该微悬臂探针上的同一位置；测头基座，该测头基座上设置有汇聚透镜以及位置灵敏探测器，该汇聚透镜用于接收该微悬臂探针的反射光并进行汇聚，使得该汇聚透镜的出射光线形成的光斑的中心始终位于位置灵敏探测器上的同一位置；以及信号处理器，该位置灵敏探测器根据所接收到的光斑输出对应的光电流信号至该信号处理器，该信号处理器进行信号处理以绘制出被测物的微观样貌。本专利技术的技术效果在于，通过可移动的移动台承载该微悬臂探针以及跟踪透镜， 实现了扫描面为平面，且使得XY方向与Z方向上的扫描被分离，消除了他们之间的相互影响，同时减少了对被测物的尺寸的限制。另外，微悬臂探针在XY方向扫描时，入射光聚焦点在微悬臂探针上的位置不变，且光斑在位置灵敏探测器上的位置不变，从而消除了 XY方向扫描引起的误差。附图说明图1A、1B所示为本专利技术的测头扫描式原子力显微镜的结构示意图；图2所示为本专利技术的测头扫描式原子力显微镜的光路示意图；图3所示为本专利技术的扫描光路原理图；图4所示为本专利技术的测头设计组装图；图5所示为本专利技术的测头扫描式原子力显微镜的结构示意图。具体实施例方式如图1A、1B所示为本专利技术的测头扫描式原子力显微镜的结构示意图。测头扫描式原子力显微镜100包括可进行移动以实现对被测物的扫描的位移台3，以及，不进行移动的测头基座8。该位移台3可在CTZ三个方向移动，进行三个方向的独立扫描。该位移台3上固定设置有跟踪透镜4以及微悬臂探针5。微悬臂探针5具有针尖以及顶端。微悬臂探针5 的针尖用于直接接触被测物(图中未示)。跟踪透镜4以及微悬臂探针5的相对位置关系设置为，该微悬臂探针的顶端始终位于该跟踪透镜的焦点处。当位移台3移动时，跟踪透镜 4以及微悬臂探针5作为一个整体同时移动。测头基座8上设置有光源1、汇聚透镜6以及位置灵敏探测器7。以下说明本专利技术的运行原理。光源1发出经过准直的平行光作为入射光，垂直入射该跟踪透镜4，由于微悬臂探针5位于跟踪透镜4的焦点处，故而跟踪透镜4的出射光汇聚至该微悬臂探针5的顶端表面。该微悬臂探针5的顶端对该出射光进行反射。由于位移台3可以在三个方向内进行独立扫描，故而可以实现微悬臂探针5在纯平面内的扫描，克服现有技术中压电陶瓷管扫描引起的扫描平面畸变。在位移台3在XY平面中移动的过程中，微悬臂探针5随位移台3的移动而在被测物的表面滑动。而跟踪透镜 4始终位于微悬臂探针5的正上方。由于光源1固定设置在测头基座8上，故而，所发出的入射光的位置不变，则在跟踪透镜4随位移台3移动时，入射光照射在跟踪透镜上的位置发生了变化，请参阅图2所示的测头扫描式原子力显微镜的光路示意图，实线为位移台3未发生移动时的光路，虚线为发生移动后的光路。当微悬臂探针5向右发生移动时，虽然入射光照射在跟踪透镜4表面的具体位置发生了变化，但是，出射光依然汇聚在跟踪透镜4的焦点处，也就是微悬臂探针5的顶端。由此使得，无论微悬臂探针5如何移动，光线均可汇聚在该微悬臂探针5上的同一位置，避免了由于微悬臂探针5无法持续接收到光线而造成的测量误差，确保微悬臂探针5可以在平面内进行移动并扫描。在微悬臂探针5的平面扫描过程中，微悬臂探针5将持续将接收到的光线进行反射。位置灵敏探测器7设置在能够接收到微悬臂探针5的反射光的区域范围，该反射光在位置灵敏探测器7上形成光斑，光斑尺寸小于位置灵敏探测器7。在微悬臂探针5处于未发生平移和偏转的初始位置时，位置灵敏探测器7的中心与反射光斑中心重合。本领域的技术人员可以知道，由于微悬臂探针5用于测量微观样貌，故而其尺寸较小，其所能发生的位置、角度等的偏移均较为微小，故而，其反射光的范围有限，而位置灵敏探测器7相对接收范围较宽，将位置灵敏探测器7设置在微悬臂探针5本文档来自技高网...
【技术保护点】
，使得该汇聚透镜的出射光线形成的光斑的中心始终位于位置灵敏探测器上的同一位置。进行反射，该微悬臂探针的顶端始终位于该跟踪透镜的焦点处，使得在该位移台移动时，该跟踪透镜的出射光始终汇聚在该微悬臂探针上的同一位置；以及测头基座，该测头基座上设置有汇聚透镜以及位置灵敏探测器，该汇聚透镜用于接收该微悬臂探针的反射光并进行汇聚１．一种测头扫描式原子力显微镜，其特征在于，包括：位移台，该位移台可在ＸＹＺ方向移动以进行扫描，该位移台上固定设置有跟踪透镜以及微悬臂探针，该微悬臂探针跟随该位移台做平面扫描，该跟踪透镜用于对入射光进行汇聚，该微悬臂探针对该跟踪透镜的出射光
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：高思田，李伟，卢明臻，施玉书，杜华，
申请(专利权)人：中国计量科学研究院，
类型：发明
国别省市：11
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