扫描力显微镜中的点衍射干涉现象及其应用

本文论述了扫描力显微镜中的点衍射干涉现象,论证了硅微探针可以作为后向点衍射板并用于检测微探针变位的光学原理。根据这一原理设计了一种新型灵巧的扫描力显微镜,它具有更好的抗干扰能力,稳定优质的光电信号。理论分析及实测表明,该扫描力显微镜具有０．０１ｍｍ 的纵向分辩率、５ｎｍ 左右的横向分辨率。     

飞秒激光正交线扫描诱导表面微纳结构

通过控制激光偏振与扫描方向,利用飞秒脉冲激光正交线扫描的微加工方式,在硅和不锈钢表面诱导出了规则分布的复合表面微纳结构并分析了激光能量密度对微纳表面结构形成的影响。实验显示:当激光的能量密度接近材料烧蚀阈值时,在硅表面诱导出了周期条纹嵌套纳米孔的双层复合二维结构,在不锈钢表面则诱导出了依赖于激光偏振方向的纳米点阵列分布,分析认为纳米点阵列是由周期条纹结构边缘发生断裂而生成的。另外,当激光的能量密度大于材料烧蚀阈值时,在硅和不锈钢表面会烧蚀出规则分布的微米级孔洞结构。实验结果表明:第一次扫描诱导出的表面微纳结构增加了对入射激光的吸收,促进入射激光与表面等离子体波的耦合,加强了后扫描的烧蚀效果,使得后扫描诱导出的微纳结构占主导。文中提出的正交线扫描的加工方式为微纳表面结构的制备提供了新的思路。     

纳结构的连续激光复合微纳探针刻划加工

为了加工形貌稳定且尺寸尽可能小的纳结构,建立了一套连续激光复合微纳探针的加工系统,并研究了光纤探针导光的连续激光辐照微纳探针的近场增强效应以及该系统的加工性能。首先,根据表面等离子体激元理论仿真分析了激光辐照原子力显微镜(AFM)探针的近场增强因子,并研究了微纳探针的针尖温度场和针尖热膨胀。接着,搭建了基于光纤探针导光的连续激光复合微纳探针的纳结构加工系统。最后,对聚乙烯片状材料样品进行了纳结构加工。结果显示:加工得到的纳米点尺度为200nm左右;纳米线的尺度为30~40nm。结果表明:光纤探针导光连续激光复合微纳探针系统避免了复杂的空间光路结构,是一种成本低廉,结构简单的系统,能够实现纳结构的加工。     

超精表面纳米尺度划痕检测系统的研究

电子产品高集成度与高性能化的发展,对超精表面和亚表面无损伤性要求越来越高.为了检测纳米尺度的表面微划痕,基于原子力显微镜思想,选用硅微探针工作在轻敲模式,通过外差干涉测量振幅变化,z向反馈实现微划痕成像,构建了一套微划痕检测实验系统.初步实验表明检测系统达到了纳米级精度,满足了划痕检测性能要求.     

采用AFM研究单晶硅纳米加工特性

为获得AFM金刚石微探针在纳米尺度上加工脆性材料的加工特性,在AFM系统上对单晶硅表面进行了刻划、加工实验.实验结果与宏观车削加工结果进行了对比,得出在纳米尺度上进行的加工属塑性域加工.采用AFM金刚石微探针加工硅表面的加工质量主要受材料残留高度和形成的切屑在已加工表面的粘结两个因素影响.验证了AFM作为一种加工工具,受其刻划方向的影响,可以很容易地实现纳米量级材料的去除,得到厚度为数个纳米的切屑.     

硅微机械谐振压力传感器技术发展

硅微机械谐振压力传感器是目前精度最高、长期稳定性最好的压力传感器之一,是航空航天、工业过程控制和其他精密测量领域压力测试的最佳选择。系统阐述30年来国内外硅微机械谐振压力传感器技术的研究成果,简单介绍硅微机械谐振压力传感器的分类及工作原理,针对压力敏感膜片与谐振器复合结构和振动膜结构两种主要的芯体结构形式,详细论述硅微机械谐振压力传感器的研究历史、主要研究机构、国内外发展现状以及最新的研究成果,重点根据不同激励与检测方式对各种硅微机械谐振压力传感器的芯体结构进行深入分析比较。在此基础上,总结归纳不同芯体结构及其激励与检测方式的特点,并对硅微机械谐振压力传感器的未来发展趋势进行展望。     

基于MEMS技术硅微悬臂梁制作工艺研究

针对非制冷红外热成像中的双材料硅微悬臂梁阵列的结构要求,在MEMS常见加工工艺的基础上,提出了单个硅微悬臂梁的制作工艺路线。工艺中使用高浓度HF溶液释放牺牲层磷硅玻璃（PSG）。探讨了双层材料氮化硅和铝之间的断裂及氮化硅和硅基底之间的粘连问题,对工艺中影响成品率的关键因素残余应力进行了分析。     

硅微谐振式加速度计的实现及性能测试

为了提高硅微谐振式加速度计性能,从一种基于DDSOG(Deep Dry Silicon on Glass)工艺的硅微谐振式加速度计样机入手,介绍了加速度计的结构、加工方法和接口电路。该谐振式加速度计结构包括敏感质量块、谐振器和微杠杆3部分,采用差动结构来减小共模误差的影响。接口电路中采用了自动增益控制电路来稳定谐振器的振幅,成功实现了谐振器的闭环自激振荡和频率检测。分析了谐振式加速度计频率输出与加速度输入的关系,测试了硅微谐振式加速度计样机性能,结果为量程±50g,标度因数143 Hz/g,零偏稳定性1.2 mg,零偏重复性0.88 mg,阈值170μg。文章最后提出,DDSOG工艺中采用的玻璃材料和硅材料温度系数不同,影响了加速度计的温度特性,因此需要进步一改进加工工艺。     

磁控共溅射制备锆-硅-氮复合薄膜的显微组织与性能

通过磁控共溅射方法制备了一系列不同硅含量的锆-硅-氮复合薄膜;采用能谱仪、X射线衍射仪、扫描电镜和微力学探针等对复合薄膜进行了表征;研究了薄膜中硅、锆原子比对复合薄膜的显微组织、高温抗氧化性能和力学性能的影响。结果表明：随着硅含量的增加,复合薄膜的ZrN（111）、（220）晶面衍射峰逐渐消失,呈现ZrN（200）择优取向;同时其性能逐渐提高,当硅、锆原子比为0．030时可获得最大硬度和最大弹性模量,分别为37．8GPa和363GPa;进一步增加硅含量,复合薄膜向非晶态转化,而薄膜的硬度和弹性模量迅速降低,抗氧化温度显著提高。     

一种硅/二氧化硅双层微悬臂梁温度传感器

利用IC工艺和微机械加工技术制作了一种硅／二氧化硅双层微悬臂梁温度传感器。基于硅和二氧化硅两种材料热膨胀系数的差异，不同温度下梁的挠度不同，其形变可通过位于梁根部的压敏电桥检测。理论计算和实验结果表明：压敏电桥输出电压与温度成线性关系。对器件结构进行了优化设计，实验探索了提高传感器测量重复性的时效处理工艺。该温度传感器可用于瞬态温度的测量。     

基于光点偏转方法的原子力显微镜的研制

讨论了光点偏转方法检测微小位移的原理，建立了相应的光电检测系统，用于检测微悬臂（针尖）的微位移，并在此基础上研制了纳米级分辨率的原子力显微镜。仪器最大扫描范围可达2×2μm2。文中给出了部分样品的测试结果。     

基于AFM的光盘形貌研究

介绍了原子力显微镜(AFM)的原理及特点。用AFM对光盘上记录信息用的凹坑结构进行了三维检测,并对测量结果进行了分析。结论表明AFM在光盘质量检测过程中具有独特的优势。     

A compact CCD‐monitored atomic force microscope with optical vision and improved performances

A novel CCD‐monitored atomic force microscope (AFM) with optical vision and improved performances has been developed. Compact optical paths are specifically devised for both tip‐sample microscopic monitoring and cantilever's deflection detecting with minimized volume and optimal light‐amplifying ratio. The ingeniously designed AFM probe with such optical paths enables quick and safe tip‐sample approaching, convenient and effective tip‐sample positioning, and high quality image scanning. An image stitching method is also developed to build a wider‐range AFM image under monitoring. Experiments show that this AFM system can offer real‐time optical vision for tip‐sample monitoring with wide visual field and/or high lateral optical resolution by simply switching the objective; meanwhile, it has the elegant performances of nanometer resolution, high stability, and high scan speed. Furthermore, it is capable of conducting wider‐range image measurement while keeping nanometer resolution. Microsc. Res. Tech. 76:931–935, 2013. © 2013 Wiley Periodicals, Inc.     

High resolution characterisation of tribochemical films on alumina

This paper presents the results of the characterisation of tribochemical films produced by the sliding wear of alumina in a humid environment. The techniques that were used were field emission scanning electron microscopy (FESEM) mechanical properties microprobe or nanoindentor (MPM), atomic force microscopy (AFM), frictional force microscopy (FFM) and non-contact optical profilometry.It was found that the tribochemical films were softer than the remnant alumina on the worn surfaces, and were liable to fracture and cracking under the indenter.The FESEM showed similar features to the AFM, but because of its direct height imaging, the AFM was better at resolving and imaging small MPM indentations. The AFM also showed that the tribochemical films were composed of small rounded particles which were pressed together to form the films.Some FFM contrast is attributed to steep gradients or edges, and some to variations in surface roughness. There is, however, some contrast which cannot easily be explained by simple geometric interactions and appears to be associated with variations in surface chemistry and structure.     

Non-optical tip–sample distance control method for scanning near-field optical microscopy using a piezoresistive micro cantilever

A piezoresistive micro cantilever is applied to monitor the displacement of an optical fibre probe and to control tip–sample distance. The piezoresistive cantilever was originally made for a self-sensitive atomic force microscopy (AFM) probe and has dimensions of 400 µm length, 50 µm width and 5 µm thickness with a resistive strain sensor at the bottom of the cantilever. We attach the piezoresistive cantilever tip to the upper side of a vibrating bent optical fibre probe and monitor the resistance change amplitude of the strain sensor caused by the optical fibre displacement. By using this resistance change to control the tip–sample distance, the two-cantilever system successfully provides topographic and near-field optical images of standard samples in a scanning near-field optical microscopy (SNOM)/AFM system. A resonant characteristic of the two-cantilever system is also simulated using a mechanical model, and the results of simulation correspond to the experimental results of resonance characteristics.     

三维测量工业内窥镜的双目光学系统

针对国内工业内窥镜只限于观察,无法满足工件三维尺寸测量的现状,设计了一种探头外径为6 mm并且可以向任意方向弯曲的三维测量工业内窥镜,并介绍了该内窥镜的双目光学系统及镜体内部结构的设计。首先,基于双目立体成像的原理,提出了一种具有双物镜、单图像传感器的新型双目光学系统。其次,根据光学系统的技术要求,设计了内窥镜的头部结构。考虑到一些工件内部结构比较复杂,分别设计了内窥镜的可弯曲结构以及后部操控机构以方便一些精密工件的检测。最后,通过三维图像处理软件对待测物表面两个特征点进行长度测量试验,得到了两个特征点的间距。实验结果表明：待测物表面两个特征点的长度测量误差在±0.2 mm内。该系统基本实现了工业内窥镜的三维测量功能。     

A Novel Atomic Force Microscope with High Stability and Scan Speed

Abstract

A novel atomic force microscope (AFM) has been developed. Unlike conventional AFM systems, its cantilever and tip were set up in the X direction with respect to the sample. It can practically eliminate the crawling effect of the probe itself. Meanwhile, using a beam splitter, we devised a unique path optical beam deflection method for the measurement of the cantilever's displacement with its minimized structure and an optimal light‐amplifying ratio; the position of the sensitive detector (PSD) is just in front of the visual sight of operator. This makes observation and operation easier. Furthermore, the PSD attached to the translation stage can be adjusted and, thus, adapts the setpoint of imaging force to different samples. In this way, our new AFM provides high stability and scan speed. The highest scan rate is about 40 lines/s or 10s for a 400×400‐pixel, 3 µm×3 µm image.     

计量型原子力显微镜的位移测量系统(英文)

针对纳米结构表征和纳米制造的质量控制需要,中国计量科学研究院设计并搭建了一台计量型原子力显微镜用于纳米几何结构的测量.为了将位移精确溯源到国际单位米,研制了单频8倍程干涉仪测量位移,样品表面形貌则由接触式原子力显微镜测量.一个立方体反射镜与原子力显微镜的测头固定,作为干涉仪的参考镜.两个互相垂直的干涉仪用于测量样品与探针在x-y方向的相对位置.样品台置于具有三面反射镜的零膨胀玻璃块上,由压电陶瓷位移台驱动.另外两台干涉仪测量样品与探针在z方向的位移,探针针尖位于干涉仪光束的交点以减小Abbe误差.由于光学器件的缺陷产生的相位混合会引起非线性误差,采用谐波分离法拟合干涉信号来修正误差,修正后干涉仪测量误差减小为0.7 nm.     

AFM悬臂定位系统中光干涉误差及减小方法研究

光杠杆法是原子力显微镜（AFM）悬臂定位的主要方法。由于悬臂自身的尺寸和材料特性、检测光路系统等因素制约，悬臂弯曲测量时存在光泄露。被试样表面反射的部分泄露光与悬臂反射光产生干涉，在探针一试样接近曲线中产生光干涉误差。基于轻触模式AFM，分析了光干涉误差的产生原因，并对其引起的AFM测量误差进行了数学分析和仿真、提出了减小光干涉误差的方法。实验结果和理论分析表明，为了进一步提高AFM的测量精度，有必要克服定位系统中的光干涉误差。     

配置程控样品台的原子力显微镜重定位成像方法

原子力显微镜(Atomic Force Microscopy)已成为在纳米尺度对样品进行观察和操纵的重要工具。基于原子力显微镜观测的重定位技术提供一种微观区域内对样品处理前后原位对比观测的方法。本文利用坐标实时显示的程控高精度样品台系统,联合使用表面双标记定位法,建立一种新的重定位方法,方便、高效地实现样品重定位AFM成像。