[发明专利]一种基于超声AFM的纳米薄膜厚度检测装置及其方法

权利要求书

1.一种基于超声AFM的纳米薄膜厚度检测装置，其特征在于包括：AFM系统以及与其连接的超声辅助系统、相位检测系统，所述超声辅助系统与相位检测系统连接；

AFM系统：用于控制探针和纳米薄膜在纳米尺度下的三维相对移动，并实时将探针的的悬臂梁偏转信号输出至相位检测系统；

超声辅助系统：用于对纳米薄膜施加超声振动，并将超声驱动信号发送至相位检测系统；

相位检测系统：用于根据超声驱动信号和探针的悬臂梁偏转信号得到探针振动相位差，实现纳米薄膜厚度的检测。

2.按权利要求1所述的一种基于超声AFM的纳米薄膜厚度检测装置，其特征在于所述AFM系统包括AFM控制器(5)、光电传感器(6)、Z向纳米压电陶瓷(7)、探针(8)和XY纳米定位平台(11)；所述AFM控制器(5)的输入端与光电传感器(6)连接，控制端与Z向纳米压电陶瓷(7)、XY纳米定位平台(11)、相位检测系统连接，Z向纳米压电陶瓷(7)与探针(8)固定于XY纳米定位平台(11)上方，光电传感器(6)固定于探针(8)上方，用于接收从探针(8)背面反射的激光，并将探针的悬臂梁偏转信号输出至相位检测系统。

3.按权利要求1所述的一种基于超声AFM的纳米薄膜厚度检测装置，其特征在于：所述超声辅助系统包括超声驱动器(3)以及与其连接的超声振动器(10)；所述超声驱动器(3)发送超声信号至超声振动器(10)、相位检测系统；所述超声振动器(10)固定于XY纳米定位平台(11)上，超声振动器(10)上设有在基底(9)上的纳米薄膜(4)。

4.按权利要求1所述的一种基于超声AFM的纳米薄膜厚度检测装置，其特征在于：所述相位检测系统包括锁相放大器(1)、人机交互界面(2)；所述锁相放大器(1)的输入端、参考输入端分别与光电传感器(6)和超声驱动器(3)连接，锁相放大器(1)的相位差输出端与人机交互界面(2)连接，人机交互界面(2)与AFM控制器(5)的控制端连接。

5.一种基于超声AFM的纳米薄膜厚度检测方法，其特征在于包括以下步骤：

1)超声驱动器(3)驱动超声振动器(10)产生超声振动，并带动基底(9)和纳米薄膜(4)实现超声振动；

2)AFM控制器(5)通过控制Z向纳米压电陶瓷(7)带动探针(8)向纳米薄膜(4)做直线运动，探针(8)与纳米薄膜(4)接触时开始加工，控制XY纳米定位平台(11)以设定方向做匀速运动，纳米薄膜(4)的超声振动传递给探针(8)，由光电传感器(6)检测后，发送探针的悬臂梁偏转信号给锁相放大器(1)；

3)超声驱动器(3)的超声驱动信号输入至锁相放大器(1)，锁相放大器(1)将作为参考信号的超声驱动信号和悬臂梁偏转信号的相位差输出至人机交互界面(2)进行实时显示和存储；

4)进行加工的同时，AFM控制器(5)输出的加工沟槽XY位置信息、以及对应的锁相放大器(1)输出的相位差输入至人机交互界面(2)进行显示和存储；

5)AFM控制器(5)对纳米薄膜(4)加工区域的表面形貌进行成像，获得被加工沟槽的XY位置信号和对应的深度，并将XY位置信号和对应的深度输入至人机交互界面(2)进行显示和存储；

6)人机交互界面(2)通过比对步骤4)、5)获得的XY位置上对应的相位差和深度获得深度-相位差曲线；

7)深度-相位差曲线拐点处对应的深度值为纳米薄膜(4)的厚度。

6.根据权利要求5所述的一种基于超声AFM的纳米薄膜厚度检测方法，其特征在于所述深度-相位差曲线的导数曲线的拐点处对应的加工深度为纳米薄膜厚度。