[發明專利]用于掃描探針顯微鏡的螺旋式掃描方法

無效

• 申請號: 200810062982.1
• 申請日: 2008-07-17
• 公開（公告）號: CN101308079A
• 公開（公告）日: 2008-11-19
• 發明（設計）人: 居冰峰;伏明明;金偉鋒
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01N13/10
• 分類號: G01N13/10;G12B21/20;G01B21/00
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司
• 代理人: 張法高

技術領域

本發明涉及一種用于掃描探針顯微鏡的螺旋式掃描方法。

背景技術

隨著基于金剛石刀具的超精密加工技術的不斷發展以及以微機電系統(Micro-electromechanical?Systems，MEMS)為代表的微細加工技術的不斷進步，具有特殊功能的三維微結構不斷出現，例如：高深-寬比微細結構(High?AspectRatio?Microstructures，HARMS)是MEMS和Microsystems中最具代表性的特征之一，HARMS結構可以使得MEMS及Microsystems的多項性能指標，如：驅動力、工作頻率范圍、靈敏度和位移量得到很大提高；同時，HARMS結構也是平面光柵、復雜非球曲面等現代精密零部件中不可缺少的重要組成部分，在航空、航天、電子、化工、生物、醫療等許多領域扮演著重要角色，有著廣闊的應用前景。上述三維微結構的形狀將直接影響相關器件的性能，因此對其進行超精密測量非常必要。多年來，研究人員探索出了多種測量方法，比如利用光學手段的非接觸測量方法，但該方法在測量精度方面遠未達到實際需求。

SPM技術在測量精度方面要大大領先利用光學手段的非接觸測量方法。就測量表面形貌而言，應用最廣泛的是掃描隧道顯微鏡(Scanning?TunnelingMicroscope，STM)和原子力顯微鏡(Atomic?Force?Microscope，AFM)，前者基于量子電流隧道效應，后者是基于原子之間的相互作用力。STM/AFM的縱向分辨率可達0.001～0.01nm，橫向分辨率也可達1nm，然而二者橫向測量長度一般在幾微米或幾十微米量級。傳統的STM/AFM都是采用高精度壓電驅動(Piezoactuator)的掃描模式，無法實施高速掃描，也使它們的使用范圍僅限于實驗室內的微納形貌和幾何量測量的限制，無法應用到加工現場，更不能實現On-machine測量。

發明內容

本發明的目的是為了避免傳統的掃描探針顯微鏡(SPM)無法對微納三維結構實施高速、大面積掃描，提供一種用于掃描探針顯微鏡的螺旋式掃描方法。

用于掃描探針顯微鏡的螺旋式掃描方法是將旋轉編碼器安裝在旋轉空氣軸承上，待測工件安裝在旋轉空氣軸承上，在氣浮導軌上安裝有線性編碼器和與待測工件相配合的SPM測量頭，當工作時，旋轉空氣軸承高速旋轉，從旋轉編碼器獲得旋轉的角度，氣浮導軌沿著待測工件的徑向運動，從線性編碼器獲得氣浮導軌的位移，旋轉空氣軸承和氣浮導軌從而構成掃描模塊，利用DSP綜合控制系統模塊驅動SPM測量頭獲得待測工件表面的高度信息，再利用高速數據采集與處理模塊將SPM測量頭和掃描模塊關聯在同一個坐標系中，實現掃描頻率和形貌測量速度匹配、極坐標和直角坐標之間的數據快速實時轉換，從而實現微納結構三維形貌的高速、大面積超精密測量。

本發明與傳統的SPM測量技術中的掃描方法相比具有顯著的優勢是：避免了傳統的SPM測量技術由于其壓電掃描模塊的速度低、測量面積小等問題，利用本發明的新型掃描方法和裝置可以大大方便測量，可以在保證測量精度的同時，兼顧高速性和大面積測量能力，從而徹底解決傳統SPM測量速度慢、測量范圍小等瓶頸問題，并以此為基礎構建一種能夠實現對微納結構三維形貌的快速、大面積掃描，開發工業級的掃描探針顯微鏡(SPM)。

附圖說明

圖1是用于掃描探針顯微鏡的螺旋式掃描方法原理框圖；

圖2是本發明的裝置結構圖；

圖3是掃描方法和極坐標、直角坐標變換的示意圖；

圖中：旋轉編碼器1、旋轉空氣軸承2、待測工件3、SPM測量頭4、線性編碼器5、氣浮導軌6。

具體實施方式

如圖1、2所示，用于掃描探針顯微鏡的螺旋式掃描方法是將旋轉編碼器1安裝在旋轉空氣軸承2上，待測工件3安裝在旋轉空氣軸承2上，在氣浮導軌6上安裝有線性編碼器5和與待測工件3相配合的SPM測量頭4，當工作時，旋轉空氣軸承高速旋轉，從旋轉編碼器獲得旋轉的角度，氣浮導軌沿著待測工件的徑向運動，從線性編碼器獲得氣浮導軌的位移，旋轉空氣軸承和氣浮導軌從而構成掃描模塊，利用DSP綜合控制系統模塊驅動SPM測量頭獲得待測工件表面的高度信息，再利用高速數據采集與處理模塊將SPM測量頭和掃描模塊關聯在同一個坐標系中，實現掃描頻率和形貌測量速度匹配、極坐標和直角坐標之間的數據快速實時轉換，從而實現微納結構三維形貌的高速、大面積超精密測量。