[發明專利]一種多參數同步測量的開爾文探針力顯微鏡

有效

• 申請號: 201710093420.2
• 申請日: 2017-02-21
• 公開（公告）號: CN106645808B
• 公開（公告）日: 2019-07-02
• 發明（設計）人: 謝暉;張號;孟祥和;宋健民
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G01Q60/30
• 分類號: G01Q60/30
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 宋詩非

1.一種多參數同步測量的開爾文探針力顯微鏡，包括XY微米定位臺(12)、XYZ納米定位臺(13)、開爾文掃描樣品臺(15)、XYZ微米定位臺(8)、一維大量程調整微平臺(10)、探針手支架(9)、探針手(7)、上位機、直流電源、任意波發生器、采集卡、信號發生器、移相器、鎖相放大器、四象限位置檢測器、半導體激光發生器、一號壓電控制器、二號壓電控制器和三號壓電控制器；

開爾文掃描樣品臺(15)固定在XYZ納米定位臺(13)上，XYZ納米定位臺(13)固定在XY微米定位臺(12)上；探針手(7)上安裝有導電探針(7-4)和能夠帶動導電探針(7-4)沿豎直方向即Z方向移動的壓電陶瓷(7-2)，探針手(7)固定在探針手支架(9)上，探針手支架(9)固定在XYZ微米定位臺(8)上，XYZ微米定位臺(8)固定在一維大量程調整微平臺(10)上；

上位機通過一號壓電控制器驅動開爾文掃描樣品臺(15)上的壓電陶瓷移動、通過二號壓電控制器驅動XYZ納米定位臺(13)上的壓電陶瓷移動、通過三號壓電控制器驅動探針手(7)上的壓電陶瓷移動；

半導體激光發生器產生的激光入射至導電探針(7-4)上，經導電探針(7-4)反射的激光入射至四象限位置檢測器；

四象限位置檢測器的探測信號通過采集卡發送至上位機，該探測信號還作為反饋信號發送至鎖相放大器；

直流電源用于在上位機的控制下產生直流信號，并將該直流信號加載到導電探針(7-4)與樣品(15-8)之間；

信號發生器產生三路相同的信號，該信號頻率與導電探針(7-4)的二階共振頻率相同，第一路與任意波發生器產生的信號通加法器疊加后用于控制三號壓電控制器，使三號壓電控制器驅動探針手(7)上的壓電陶瓷(7-2)；第二路作為參考信號發送至鎖相放大器；第三路通過移相器移相90度后加載到導電探針(7-4)與樣品(15-8)之間；

鎖相放大器輸出的信號通過采集卡發送至上位機，其特征在于，所述上位機內嵌入由軟件實現的測量模塊，所述測量模塊包括以下單元：

力檢測單元：實時采集四象限位置檢測器(4)檢測到的導電探針(7-4)的形變量，并根據該形變量計算導電探針(7-4)與樣品之間的作用力；所述作用力等于形變量與導電探針(7-4)剛度的乘積；

表面形貌及最大壓痕深度測量單元：通過一號壓電控制器控制開爾文掃描樣品臺(15)上的壓電陶瓷上升，使樣品接近導電探針(7-4)，當導電探針(7-4)與樣品之間的最大作用力達到設定值時，記錄開爾文掃描樣品臺(15)上壓電陶瓷的Z向坐標值；同時記錄最大壓痕深度，所述最大壓痕深度等于壓電陶瓷(7-2)從平衡位置點A’到點B的位移與導電探針(7-4)的形變量之差；導電探針(7-4)與樣品之間的作用力達到設定值時所對應的時間點為B點；所述平衡位置點A’是指在A點之后，導電探針和樣品接觸過程中，導電探針的力反饋信號等于導電探針和樣品未接觸時的力反饋信號的時間點；

粘附力測量單元：通過三號壓電控制器控制壓電陶瓷(7-2)，使導電探針(7-4)反向移動，并記錄反向移動過程中導電探針(7-4)與樣品脫離時所受的作用力，所述作用力即為導電探針(7-4)與樣品之間的最大粘附力；此時所對應的時間點為C點；

等效楊氏模量計算單元：將B點和C點之間的力-壓電陶瓷位移數量轉換成力-壓痕深度數據，并利用DMT模型擬合，便可得到樣品的等效楊氏模量，所述DMT模型為：

F為導電探針(7-4)和樣品之間的相互作用力，F_adh為樣品和導電探針(7-4)之間的最大粘附力，R為導電探針(7-4)的針尖半徑，δ為壓痕深度，E^*為等效楊氏模量；

表面局部電勢差測量單元：通過三號壓電控制器控制探針手(7)上的壓電陶瓷移動，使導電探針(7-4)繼續向上移動一定高度h，h>0，然后使導電探針(7-4)保持在高度h處；將鎖相放大器輸出的相位作為反饋信號調節直流電壓U_DC的值，使鎖相放大器輸出的相位信號為零，U_DC是直流電源加載到導電探針和樣品之間的直流補償電壓，記錄此時的U_DC的值，該U_DC的值即為樣品和導電探針之間的表面局部電勢差；

樣品移動單元：通過二號壓電控制器驅動XYZ納米定位臺(13)移動至下一個掃描點；

所述任意波發生器產生高斯信號，通過該信號控制導電探針上下往復移動。