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1、基于纳米运动平台的原子力显微镜开发焦念东3 33 王越超3席 宁3 333董再励3(3中国科学院沈阳自动化研究所 沈阳110016)(33中国科学院研究生院 北京110039) (333美国密西根州立大学电子与计算机工程系 兰辛48824)摘 要 采用一种无耦合、 三轴精确定位的纳米运动平台作为扫描器,研制了一种新型原 子力显微镜(AFM)。该AFM有效消除了通常使用的单管式压电陶瓷扫描器扫描过程中 运动耦合产生的两种结构误差 交叉耦合误差和扫描范围误差,极大提高了纳米测量 及操作的精度。关键词 原子力显微镜,运动耦合,纳米运动平台,AFM力曲线0 引 言原子力显微镜(atomic force
2、 microscope , AFM)作为一种纳米级观测及操作装置已取得了很大发 展123。然而目前AFM的扫描器主要用Binnig和Smith发明的单管式压电陶瓷驱动器带动扫描探针 或样本进行扫描运动426,由于单管式压电陶瓷运动 时的弯曲运动使得扫描运动中水平方向与垂直方向产生运动耦合,致使扫描器运动时产生两种结构误 差:交叉耦合误差和扫描范围误差728。前者指当扫 描器进行水平方向扫描运动时在Z方向产生的额 外运动造成的Z向位移误差;后者存在于采取样本 扫描方式的AFM ,是指当样本厚度发生大的变化时实际扫描范围发生变化造成的实际扫描范围同理论 扫描范围的偏差。这两种误差影响了纳米观测及纳
3、 米操作的精度。为了消除单管式AFM的这两种误 差,可采取误差补偿的方法或从扫描器结构上完全 解耦的方法。本文即从扫描器的结构上入手,研制了一种具有非耦合扫描运动形式的新型AFM。该AFM采用具有三个压电陶瓷驱动器的纳米运动平 台作为扫描器,可实现三维的精确定位及非耦合运 动,避免了由单管式扫描器产生的弯曲效应,因而从 根本上消除了交叉耦合误差和扫描范围误差。该AFM克服了单管式AFM扫描器结构上的不足,极大 提高了纳米测量及操作的精度。1 纳米运动平台的开发我们所研制的AFM的主体部件是由纳米运动平台构成的扫描器,该扫描器的性能直接影响AFM 整体的性能。为了实现AFM的纳米级观测功能,需
4、要对纳米运动平台进行开发,实现其纳米定位及扫 描运动功能。1.1 纳米运动平台的原理AFM扫描方式有两种:探针扫描方式和样本扫 描方式。我们所研制的AFM采用样本扫描形式,即 探针不动,纳米平台带动样本进行往复扫描运动,如 图1所示。结构设计使激光可以照射到AFM扫描 探针的悬臂梁,并反射到光电位置敏感检测器(po2sition sensitive detector , PSD)上。当AFM进行扫描 时,纳米运动平台带动样本进行扫描运动。探针针 尖的原子与样品表面原子间的相互作用力使得探针 悬臂梁随着样品表面的形貌发生上下弯曲及侧向的 扭转形变,悬臂梁的这些形变使反射到PSD的激光位置发生偏移
5、,通过检测PSD的输出电信号变化就 可以检测出被测样品表面形貌的起伏变化,进而得 到样品表面的微形貌。 本系统采用的纳米运动平台通过三个独立的压 电陶瓷驱动器控制平台的运动部分产生三维运动,因而消除了运动中的耦合问题。其工作过程为:控 制纳米平台运动的指令传输给纳米平台控制器,该862高技术通讯 2007年3月 第17卷 第3期 男,1977年生,博士生;研究方向:纳米技术及纳米操作系统;通讯作者,E2mail : ndjiao (收稿日期:2006207224)国家自然科学基金(60575060)及辽宁省优秀青年科研人才培养基金项目(3050002)资助。控制器将运动指令转化为加在各驱动器
6、的电压,控 制其伸缩。各驱动器的运动位置由位置电容传感器 返回给主控制器实现各驱动器的闭环控制以保证其 运动精度。通过指令协调控制三个驱动器的运动即 可实现纳米运动平台的不同运动形式,如直线运动、弧线运动及往复扫描运动等。该纳米运动平台保证 了纳米级的运动及定位,使得基于此开发的AFM可 以实现高精度的扫描运动及纳米操作。图1 基于纳米运动平台的AFM1.2 纳米平台扫描运动的实现 该AFM的扫描运动是通过协调控制纳米平台X和Y驱动器的运动实现的。图2为实现纳米平台图2 纳米平台扫描运动的实现扫描运动的原理图。首先X驱动器匀速伸长,此时Y驱动器保持不动。当X驱动器伸长到预定的扫 描距离时, Y
7、驱动器伸长一步距离并保持在这一位置,同时X驱动器缩回到原来的位置。此过程循环运行,即实现了纳米运动平台的往复扫描运动。平台各驱动器在扫描运动中按一定轨迹运动,该运动 轨迹为事先定义的运动波形,波形由一系列点组成, 各点对应驱动器在某一时刻要运动到的位置。通过 控制各驱动器按一定波形循环运动,即可实现纳米 运动平台不同的运动形式。另外,各驱动器的运动速度可以由指令设定。 通过改变平台控制器对波形点的处理时间可以调整 平台的扫描运动频率。不过当平台高速运动时,将 会产生微小的残余误差(residual error)。图3为平台 中X驱动器低速和高速运动时的运动轨迹。其中横坐标为轨迹上的点,纵坐标为
8、驱动器的伸长距离。 图3 (a)和图3 (b)中驱动器的运动速度分别为10m/ s和80m/ s。(a)的运动轨迹与理论值一致, 而(b)的运动轨迹没有完全跟上(a)的运动轨迹,这 是由于压电陶瓷驱动器的非线性及平台控制器的有限动力学性能所致。此误差对驱动器高速运动时的 运动精度会产生影响,因而需要消除。通过在平台 初始运动的几个周期内记录各点的误差,并以此在 后续的运动周期内进行误差补偿控制,可以使得修 正后的运动残余误差基本为零。(a)驱动器低速扫描运动轨迹(b)驱动器高速扫描运动轨迹图3 驱动器低速与高速运行轨迹对比962焦念东等:基于纳米运动平台的原子力显微镜开发2 基于纳米运动平台的
9、AFM研制在纳米运动平台的基础上,结合其他硬件设备 我们研制了一种具有非耦合运动形式的AFM。通过不同的控制策略我们实现了该AFM的恒高与恒 力扫描方式。研究了扫描中纳观力对AFM针尖的 影响及针尖的合理定位位置。最终实现了该AFM 高品质扫描成像功能。2.1 AFM的结构及扫描运动中的控制我们所研制的AFM系统其结构主要包括半导 体激光器、 四象限位置敏感检测器(PSD)、 扫描探 针、 纳米运动平台、 纳米运动平台控制器、 微动机构、 微动机构控制器、 光学显微镜、CCD相机及相应的控 制电路,其结构如图4所示。其中微动机构可实现微米级运动精度,主要用于扫描探针的初始逼近。 纳米运动平台实
10、现探针的精确逼近及定位,并实现图4 基于纳米运动平台的AFM系统结构框图扫描运动。为保证纳米平台运动指令的实时性,控 制平台运动的PC机采用WinCE实时操作系统。为获得PSD信号我们对PSD进行了信号处理的电路 设计。设计后的PSD有两路信号输出,分别对应照射在其上的激光光斑上下和左右位置信号。其计算公式为:Sn=(A + B) - ( C + D) A + B + C + D(1)Sl=(A + C) - ( B + D) A + B + C + D(2)其中A , B , C, D为PSD四象限信号。 目前,我们实现了AFM的恒高和恒力扫描方式。其中恒高方式是指探针在接触样本后保持AFM
11、悬臂末端与样本的距离恒定不变进行扫描成像;而恒力方式由检测PSD信号变化实时调整纳米 运动平台的Z向伸缩,从而使得针尖与样本间的作 用力保持恒定进行扫描成像。恒高方式可实现高速 扫描,但要求样本表面比较光滑,没有大的凸起;恒 力方式下针尖与样本轻微接触,随着样本表面微形貌而起伏运动,可以获得较高分辨率的样本表面图 像。 在用AFM进行恒高方式扫描成像时,纳米平台 控制器根据预定好的运动波形发送运动指令使纳米 平台进行扫描运动。扫描中PSD信号的变化反映的即为样本表面起伏情况,通过记录每一采样点的PSD信号,即可得到样本表面形貌图,其工作过程如 图5所示。图5 恒高扫描方式工作过程在用AFM进行
12、恒力方式扫描成像时,纳米平台 控制器除了控制平台进行扫描运动外,还要不断检 测PSD信号的变化进行反馈控制。该反馈控制是 恒力扫描方式的核心环节,其作用是通过不断调整 纳米平台Z向伸缩,调节针尖2样本相互作用力的强度,使其保持恒定。恒力扫描方式的工作过程如 图6所示,其具体过程为:扫描运动时,AFM针尖首 先轻微接触上样本,该预定位置可根据AFM力曲线图6 恒力扫描方式工作过程的突跳信号确定(后面有介绍)。此时的PSD信号 作为初始设定值Iref,可以视为针尖与样本作用力强 度的度量。PID反馈控制的输入和输出信号分别为PSD的偏差信号e和控制纳米平台Z向伸缩的信号Hz。扫描中通过该PID反馈
13、控制不断调整AFM针 尖与样本间距离,使变化的PSD信号回到参考值 072高技术通讯 2007年3月 第17卷 第3期Iref,进而使得针尖与样本间的纳观作用力保持不变。同时通过记录每个采样点的Hz信号即可构成恒力方式下样本表面形貌图。 在开发中,我们注意到有两个重要因素影响着 扫描信号的质量:激光器和各种干扰(振动和电磁干 扰)。首先,反射到PSD的激光光斑作为度量样本 表高度变化的唯一信号源,它的性能、 形状和大小将 直接影响PSD信号,进而影响扫描图像的质量。因 而对激光器的选择是一个关键问题。另一方面干扰 信号同样也会影响扫描信号的性能。由于AFM探 针对弱信号极其敏感,因此外界任何微
14、弱干扰如大声说话与人的走动等都将引起PSD信号产生很大 的变化。因而我们将所搭建的AFM主体置于屏蔽 罩内,并置于气浮平台之上以消除空气和地面振动 对它的影响。另外电源和各种电路也会引入电干扰 信号,通过将这些电路屏蔽接地可以有效减少电干扰信号。经过以上处理,所搭建的AFM达到了比较 理想的检测效果,可以检测出样本表面纳米级高度 的变化。2.2 AFM针尖预定位的研究 在AFM的恒力扫描模式中,探针针尖首先轻微接触上样本。该预定位置的PSD信号反应出针尖 与样本作用力的强度,在后续的扫描中将通过反馈 控制使得该力保持不变。若该力过大,则表示针尖 紧压在样本上,扫描中会损伤针尖和样本;而该力过
15、小,则表示针尖没有适当地压在样本上,使得针尖对 样本表面形貌的变化不敏感。因而如何有效控制针 尖的预定位置,使得针尖与样本间的力保持某个理 想的值是恒力扫描模式的一个关键问题。 纳米环境下样本对探针针尖具有很强的黏附作 用,这些力主要来源于范德华力,表面毛细力及静电力9。为了更好地理解针尖与样本的相互作用力, 探索恒力方式中针尖合理的预定位置,我们用该AFM测量了针尖在逼近样本及退回过程中的力曲 线,如图7所示。图中AFM针尖逼近及退回的过程 用数字1 - 5标记:1 纳米平台带动样本上升,使 针尖接近样本;2 当针尖与样本间的间隙在几十 纳米时,由于样本表面的强黏附力,针尖突然被吸附 到样本
16、表面上10,此时探针悬臂梁向下弯曲;当平 台继续向上运动时由于样本的接触排斥力悬臂梁将 逐渐被顶起向上弯曲;3 纳米平台下降使得针尖 由样本退回,但此时针尖仍被样本表面黏附力所吸 附,没有与样本分离;4 当针尖相对样本退回的 距离超过黏附力的作用范围时,针尖从样本突然弹回,与样本完全分离;5 纳米平台退回原处。通 过力曲线及具体的实验,我们发现当探针针尖与样 本刚刚接触时,针尖对样本表面形貌变化最敏感。 这个位置可通过检测力曲线逼近过程中PSD信号 的突跳信号检测出来,作为扫描前针尖的预定位置,进而在扫描中可实现高品质的扫描成像。图7 AFM力曲线的测量3 实验及性能测试我们用研制的AFM系统进行了一系列扫描成 像实验。系统中采用纳米运动平台作为扫描器(德国PI公司,型号E2710. 3CD)。该AFM的主要性能 指标为:最大扫描运动范围100m100m ,精度为1nm;Z向运动范围为20m ,精度为
