基于高阶柔性探针的三维纳米测量与定位技术研究

随着微机电系统(MEMS)的发展与应用，加工尺寸越来越小、几何形状越来越复杂，因而对其几何尺寸的测量即要求精度高、速度快，又要求实现真正的三维测量。本项目拟从微悬臂的高阶谐针原理出发，系统地建立一种新型高阶谐振三维纳米测量兼纳米定位方法，研制出高阶柔性、轻触模式的三维纳米测量与定位测头。在本项目实施过程中，首先通过理论建模和实验来研究高阶柔性探针在扫描速度、空间分辨率、抗干扰能力等方面的特性，实现高柔性探针的纳米测试；其次利用电火花加工法，研究一体化微测杆和微测球的加工技术，制备可用于三维定位、具有球形测头的一体化微探头；再次，将微探头与谐振悬臂结合，形成可实现三维测量与定位的纳米测头，同时研究该测头的三维测量与定位特性。通过本项目的实施，可望建立一国内外首创的高阶谐振探针测量技术及轻触模式三维纳米定位技术，并为扫描探针显微镜和纳米三座标测量机提供一种新的测头，满足MEMS器件测量需求。

随着微机电系统(MEMS)的发展与应用，加工尺寸越来越小、几何形状越来越复杂，因而对其几何尺寸的测量即要求精度高、速度快，又要求实现真正的三维测量。本课题从微悬臂的高阶谐振原理出发，系统地建立了一种新型高阶谐振三维纳米测量兼纳米定位方法。课题的主要研究和成果包括：.1）通过分析高阶谐振悬臂的工作原理，给出了悬臂的振动方程和振型函数，从理论上证明了高阶谐振悬臂具有更高灵敏度及更低最小可探测力梯度；由于频率的提高，悬臂的动态测量性能明显改善。通过实验证实了高阶谐振现象的存在，且高阶谐振AFM相较初级谐振模式AFM具有更高灵敏度、更高分辨率及更低最小可探测力梯度。实验结果与理论分析结论一致，证明了该高阶谐振特性研究的正确性和进行扫描测量的可行性。.2）利用光纤熔接机在光纤端面处烧结出光纤微探球。基于田口法(Taguchi method)，以烧制出的光纤微探头2个质量评价参数的信噪比(S/N)为指标，研究了过程工艺参数对烧制光纤微探头质量的影响，并通过实验进行田口法有效性的验证。利用拉锥技术和光纤烧结技术，可制备直径优于80µm、圆度小于1µm、偏心距小于1µm的光纤微探球。.3）利用石英音叉对外力的敏感性，与钨探针结合，构成了一种新型的表面形貌扫描测头。该测头与XYZ压电工作台结合，利用测头音叉臂谐振频率对扫描微力的敏感性，研制了基于相位反馈控制的扫描探针显微镜。通过对测头和系统的测试结果分析，系统达到了1.2 nm的垂直分辨率，并通过对一维栅的测量，给出了扫描获得的试样表面微观形貌图以及相位图，证明了系统的有效性。.4）采用PVDF压电薄膜和PZT，与电化学研磨得到的钨探针结合，研制了一种具有对称结构的轻敲模式扫描测头。在该测头中， PVDF压电薄膜作为振动梁，其下方中间位置固定有钨探针，在PZT的驱动下PVDF和探针处于谐振振动状态。同时，PVDF作为微力传感器检测探针顶端原子与试样表面原子间的作用力。通过测试结果分析，系统达到了亚纳米的垂直分辨率。.5）首次提出并研制了三维纳米测头。该测头与光纤微探球结合，可进行三维纳米测量。本课题研究了三维纳米测头的触发机理，在Z方向上工作于轻敲模式，在X和Y方向工作于摩擦模式。初步实验结果表明，该测头在X和Y方向达到0.24纳米和0.20纳米的分辨率，在Z方向上达到0.18纳米的分辨率。