IPC－208B型原子力显微镜大范围扫描三维驱动系统研究

刘安平 刘济春

1.重庆大学，重庆，400030 2.中国空气动力研究与发展中心超高速研究所，绵阳，622663

0 引言

原子力显微镜（atomic force microscopy，AFM）不仅是进行物质表面微观形貌观察和分析的强有力工具，也是实现纳米尺度加工、微纳器件制造、物质表面微观结构修复的重要手段之一，其检测、加工的理论和方法的研究成果对于物质微表面信息表征、处理及加工制造等有重大潜在应用价值。IPC－208B型原子力显微镜是在IPC－205B型扫描隧道显微镜（scanning tunnel microscopy，STM）的基础上而设计的［1－2］，其工作方式为隧道检测方式，工作原理是将AFM微悬臂的起伏变化转换为隧道电流进行实时检测，克服了扫描隧道显微镜不能检测非导电材料的弊端。该原子力显微镜的镜体部分是原子力显微镜系统的机械执行部分，是保证AFM精度的关键所在［3－4］。当前随着原子力显微镜在材料物理、生物化学、材料科学等主要领域的广泛应用［5－8］，AFM的开发与应用显得十分必要，其中研究的焦点之一是在原子力显微镜的镜体结构设计上。本文介绍装配在IPC－208B型原子力显微镜系统上的大范围三维驱动结构，该研究，可为研制开发精度高、扫描范围大、机械驱动自由度高等优点的AFM镜体提供实验参考。

1 IPC－208B型AFM镜体设计

图1 镜体主视图

IPC－208B型AFM镜体主要由压电陶瓷扫描器、步进机、微悬臂、变速系统和样品台等组成，镜体的主视图如图1所示。镜体部件主要由压电陶瓷扫描器、微悬臂探针及其调节机构、步进电机驱动系统、隔震和屏蔽系统组成。该镜体驱动系统是基于上下压电陶瓷扫描器、三相感应步进电机进行组合设计的，可以实现13个自由度的调节。其中，上压电陶瓷扫描器在三相感应步进电机的配合下完成上扫描，扫描范围为0～2000nm，下压电陶瓷扫描器与一组（3个）三相感应步进电机结合实现下扫描（样本扫描），扫描范围为0～25mm。压电陶瓷和微悬臂是实现扫描的核心器件，精选优异压电参数的压电陶瓷是保证实现大范围线性扫描的关键，而制作低的力弹性常数、高的力学共振频率的微悬臂也是直接决定能否感知样品表面原子形貌的必要因素。根据压电陶瓷参数，可以使该系统的三维扫描最小行进位移达10nm，实现纳米精度的三维扫描检测。下面分别从步进驱动、压电陶瓷扫描器和微悬臂三个方面进行分析［9－10］。

1.1 步进驱动系统

IPC－208B型AFM镜体样本台是一个三维纳米级移动平台，具有X、Y、Z2（垂直方向）三个方向的运动，样本台的Z2方向的垂直移动用于控制样本台样品与微悬臂探针的距离，而探针座的Z1方向的移动机构用于控制探针接近和远离微悬臂，Z方向上的这两个调节的目标都是针对微悬臂探针。平台和探针座是AFM检测的核心部件，其移动要求精确高、可靠、噪声低、震动小、抗干扰能力强和自动控制性能好，因此，步进驱动系统对步进电机的要求很高。本设计采用步进机和螺纹传动组合的步进驱动系统，综合考虑平台和探针座的移动，步进驱动系统一共分为X、Y、Z1、Z2四个方向，四维位移量分别由四个机电进给机构控制。

X方向步进驱动系统用于控制样品在X方向作扫描移动，选择样本在X方向的扫描范围，该步进驱动结构主要由步进电机座、步进电机、谐波减速器、齿轮副、丝杆、滑动平台等组成，实现一个步进电机驱动、谐波减速、齿轮传动减速和螺纹传动减速的完整系统，最终将步进电机的转动转化为滑动平台的X方向平动，X方向步进驱动系统装置见图2。采用的步进电机型号为45BF，每脉冲行进θ＝1.5°。谐波减速器减速比i＝63。齿轮副减速比z＝2.5。丝杆和滑动平台组成螺旋传动，其螺纹螺距t＝0.5mm。则滑动平台移动的距离为

式中，n为脉冲数。

当步进电机控制电路发出一个脉冲时，由式（1）可计算出滑动平台在X方向行进的速度约为13.2nm／脉冲。

Y方向步进驱动系统用于控制样品在水平Y方向作扫描移动，以结合X方向步进驱动系统选择样本扫描区域。Y方向步进驱动系统主要由步进电机座、步进电机、蜗轮副、丝杆、滑动平台等组成，构成一个步进电机驱动、蜗轮传动减速和螺纹传动减速的整体系统，最终将步进电机的转动转化为滑动平台的Y方向平动，其系统装置见图3。Y方向步进驱动系统选用步进电机型号为28BF，每脉冲行进θ＝3°。蜗轮副减速比z＝84。丝杆和滑动平台组成螺旋传动，其螺纹螺距t＝0.5mm，根据式（1），当步进电机控制电路发出一个脉冲时，滑动平台在Y方向行进的速度约为49.6nm／脉冲。

图2 X方向步进驱动系统装置示意图

图3 Y方向步进驱动系统装置示意图

Z2方向步进驱动系统用于控制样品在垂直于样本扫描面作相对移动，以便于调节样本台与微悬臂探针的距离。该步进驱动系统主要由步进电机座、步进电机、蜗轮副、丝杆、滑动平台和斜形平台、挡板等组成，构成步进电机驱动、蜗轮传动减速、螺纹传动减速和直动从动凸轮传动减速系统，最终将步进电机的转动转化为样本台的垂直运动，其系统装置见图4。选用步进电机型号为28BF，每脉冲行进θ＝3°。蜗轮副减速比z＝84。丝杆和滑动平台组成螺旋传动，其螺纹螺距t＝0.5mm。滑动平台和斜形平台组成直动从动凸轮传动，其传动比c＝9。样本台的垂直距离为

图4 Z2方向步进驱动系统装置示意图

由式（2）可计算出滑动平台行进速度约为5.6nm／脉冲。

Z1方向步进驱动系统进给机构包括步进电机、蜗轮副减速器、传动轴、垂直向丝杆、滑动套、限位螺钉、调节螺母、钢球和探针座等，构成步进电机驱动、蜗轮传动减速、螺纹传动减速和直动从动凸轮传动减速等的整体系统，最终将步进电机的转动转化为上扫描探针的垂直运动，其系统装置见图5。选用步进电机型号为28BF，每脉冲行进θ＝3°。蜗轮副减速比z＝84。丝杆和滑动套组成螺旋传动，其螺纹螺距t＝0.5mm。滑动套和探针座组成直动从动凸轮传动，其传动比c约为3。探针上下移动的距离为

由式（3）可计算出滑动平台行进速度约为16.6nm／脉冲。

图5 Z1方向步进驱动系统装置示意图

步进驱动系统在进行上扫描时，启动Z1方向的步进电机，控制上扫描探针与微悬臂上表面间距由毫米级逐渐缩短直到进入隧道状态为止。而当步进驱动系统在进行AFM下扫描时，启动Z2向步进电机，把微悬臂探针与样品间距由毫米级缩短进入原子级，直到探针即将产生形变。IPC－208型AFM步进驱动系统的四个方向均设置了手动、自动两种选择，自动挡又有从低到高8个速度挡位，挡位的选择可根据粗调和细调的情况来决定，先粗后细，为了保证进入检测状态时探针与样品间的接近速度足够低，Z向步进系统包含有高精度的减速机构，使得Z向的步长远小于压电陶扫描器的Z方向伸缩范围。这样就能够保证探针以一种慢速接近样品，给后面的控制系统以足够的反应时间。

1.2 压电陶瓷扫描器

AFM系统进入隧道检测状态后，其扫描控制位移精度在纳米级，要控制针尖在样品表面如此高精度地扫描，必须采用压电陶瓷材料作为X向、Y向、Z向扫描控制器件，根据电压－形变关系，可以通过控制加在陶瓷晶体上的电压控制晶体产生所需要的位移，我们采用的是PZT－5A型单管状PZT，其轴向平移为

式中，l为管轴长度；Do为管子外径；DI为管子内径；V 为所加电压；d31为特定材料压电系数。径向平移为

PZT－5A型陶瓷管的外部电极分成面积相等的四份，管子内壁为一整体电极，在其中一块电极上施加电压，管子的这一部分就会伸展或收缩（由电压的正负和压电陶瓷的极化方向决定），这导致陶瓷管向垂直于管轴的方向弯曲。通过在相邻的两个电极上按一定顺序施加电压就可实现在X－Y方向的运动。在Z方向的运动是通过在管子内壁电极施加电压使管子整体伸缩实现的。采用隧道检测方法的AFM系统一般采用样本扫描设置，控制下压电陶瓷扫描器的弯曲来实现扫描范围的选择，做法是在管子外壁的电极同时施加相反符号的偏置电压使管子的一侧膨胀，相对的另一侧收缩，施加偏压的大小用于调节扫描区域。所选用的PZT－5A型压电陶瓷材料，上压电陶瓷扫描器由一个外径为6mm、长为10mm、厚为1mm的PZT构成，压电参数：X向和Y向均为20nm／V，Z方向为20nm／V。当该压电陶瓷扫描器用作STM系统工作进行三维运动和检测时，扫描器一般工作扫描范围为4nm×4nm～2000nm×2000nm。当然如果系统作为AFM检测时，该扫描器只作Z向运动和检测，用于上扫描检测微悬臂的起伏幅度；下压电陶瓷由一个外径为12mm、长为14mm、厚为1mm的PZT构成，X向和Y向压电参数为20nm／V，最小扫描范围为10nm×10nm，最大扫描范围为5000nm×5000nm，用来驱动样品台作X向、Y向运动和检测，从而实现样品的二维扫描运动。由于样本平台步进驱动系统可产生大范围X向、Y向的运动位移，X方向移动时每步可以达到10nm的精度，Y方向移动时的精度为50nm／步。因此，该扫描器与步进机驱动系统结合，AFM系统采用样本扫描设置，扫描范围可扩大到25mm×25mm。

1.3 微悬臂探针及调节装置

微悬臂及针尖是AFM系统中十分敏感的部件，为了能够准确实现纳米级的检测，微悬臂及探针须满足几点要求：①低的力弹性常数；②高的力学共振频率；③高的横向刚性；④短的悬臂长度；⑤带有一个尽可能尖锐的针尖；⑥能够简便而快速制备。

AFM微悬臂探针主要经过电化学或微刻技术进行制作，但这些制作工艺要求高、操作困难且成本高。为了克服上述问题，基于我们已有的STM系统，采用弹性好而很细的钨丝（φ0.1mm）制作成简易又适用的微悬臂探针（图6），在一定溶度的碱溶液中，采用低压交流电化学腐蚀法，使钨丝尖部形成尖细的针尖（接近一个原子），该针尖即使被碰撞也只需从新腐蚀后可继续使用，大大降低了微悬臂探针的制作成本，微悬臂上固定了一块面积为1.5mm×1.5mm铂片，用于对准STM上扫描器的探针，施加偏压后用于形成隧道电流。我们为该微悬臂探针设计了灵敏度较高的微位移调节装置，如图7所示。微悬臂的力常数可以通过调节固定端的长度作适当调整，针对微悬臂微调定位，设计了三坐标（r，θ，z）驱动机构，采用水平方向调节螺钉来调节微悬臂的前后移动，采用垂直方向螺母和螺钉分别来粗调及细调微悬臂的上下移动，采用蜗轮和蜗杆来调节微悬臂的旋转，其中，r、z的调整精度为0.05mm，θ的调整精度为0.05°。

图6 微悬臂探针结构示意图

图7 带微调节装置的微悬臂探针装配示意图

2 实验结果及讨论

采用IPC－208B型AFM大范围扫描三维驱动系统，首先对标准样品天然白云母进行系统的精度检测，检测结果如图8所示，该云母为单斜晶体，实验选取扫描范围为12nm×12nm，在扫描范围内，图8所示的云母结构明显存在位错及缺陷，表面也有吸附，原子团组成的环状清晰可见，云母的结构清晰可辨，测算单个颗粒尺度为0.47±0.05nm，表明IPC－208B型AFM系统的分辨率已达0.1nm，经多次测试，图像的重复性较好，系统性能稳定。针对同一检测样本，利用IPC－208B型AFM系统扫描范围的控制，分别选取两个不同的扫描检测范围进行扫描检测。被测样本为聚酰胺（polyamind，PA），它是一种用于纤维的树脂材料，PA结构主链上含有许多重复的酰胺基，用作塑料时称尼龙，PA具有良好的综合性能，包括力学性能、耐热性、耐磨损性、耐化学药品性和自润滑性，且摩擦因数低，有一定的阻燃性，易于加工，适于用玻璃纤维和其他填料填充增强改性，提高性能和扩大应用范围。PA是分子链上的重复结构单元是酰胺基的一类高分子聚合物，实验对分子结构中重复性单元进行了扫描观测，图9是采用样本扫描模式进行大范围扫描的AFM表征结果，图9中显示的X方向、Y方向扫描范围为900pixel，换算成X－Y 扫描范围为4200nm×4200nm。图10是小范围扫描的AFM表征结果，图10中显示的X方向、Y方向扫描范围也为900pixel，换算成X－Y 扫描范围为17.5nm×17.5nm。

图8 天然白云母表面形貌图

图9 大范围扫描的聚酰胺AFM形貌图

图10 小范围扫描的聚酰胺AFM形貌图

实验结果表明，装配该扫描三维驱动系统镜体的AFM具备控制微悬臂探针、样本的相对精确位置的能力，通过样本扫描设置可以实现大范围的扫描。通过大量样品检测实验，结果表明所设计的扫描三维驱动系统运行精度高，能达到原子级分辨率。该系统功能集AFM和STM于一身，纳米级移动平台还可作AFM微加工平台，该设计使得AFM检测实验准备工作简单、容易操作，其微悬臂制作简单、使用方便，实验成本大大降低。

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