[发明专利]一种原子力显微镜多探针同时独立运动测量方法与装置

说明书

本发明涉及一种原子力显微镜多探针同时独立运动测量方法与装置，包括并列设置的至少两个悬梁臂，每个悬梁臂末端均设有针尖；所述悬梁臂表面设有周期性分布规律的光栅结构，用于将照射到光栅结构的激光进行反射、并通过反射光探测器接收。本发明一套光路系统实现超近距离多个探针的区分与运动测量。具体方法是将不同波长的测量激光经过相同光路同时照射在多探针背面，采用不同特征尺寸的光栅结构作为多探针的物理标签，不同波长激光的高阶反射光被光栅结构以不同角度反射，从而达到分离光路的目的。

技术领域

本发明涉及一种使用光栅结构作为物理标签的能够实现原子力显微镜多探针同时独立运动测量的方法及装置，具体说是通过发明带有光栅结构的原子力显微镜多探针及其同时独立运动测量方法和装置，实现超近距离多探针的相互无干扰的同时运动测量。主要用于具有纳米尺度空间分辨率的形貌、力学、电学、化学、生命科学的多点位同时成像和检测等各个领域。

背景技术

典型的原子力显微镜系统，能够利用一根包含微米悬臂梁、纳米针尖的柔性探针来测量针尖与样品之间的相互作用力。其原理如下，激光通过发射器照射到柔性悬臂梁上，悬臂梁背面能够很好的反射激光，反射的激光照射在光电位置传感器上。针尖与样品之间的相互作用力使柔性悬臂梁产生一定的弯曲，这一弯曲量会导致反射激光光斑在光电位置传感器上的位置发生变化，从而检测出悬臂梁的弯曲值。原子力显微镜系统根据悬臂梁的弯曲值作为输入信号进行扫描成像的控制、力学信息的测量、纳米操控信号的反馈等等。

上述典型原子力显微镜系统因为只有一根探针，所以只能进行单一点位的测量与操。然而，很多应用场合需要多点位的同时测量、成像与操控，因此需要基于多根探针协同作业的多探针技术进行弥补。例如，测量力学或电学等信号的传导过程，至少需要同时测量传导通路上的两个点，当测量点位距离较近时(2微米以下)，典型的原子力显微镜系统很难实现多点位的同步测量，需要两根探针同时进行测量。再例如，当一个功能化探针进行力、生物或者化学操控的同时需要另一根探针进行实时的响应测量，需要两根探针能够实现独立的协调操控与测量功能。

目前，传统的多探针独立运动测量方法主要是将多套独立的原子力显微镜系统集成在一起，让多根探针的距离足够近，使其工作空间重合，达到多探针协同测量与操控的目的。由于多探针的排布方向和角度不同，其各自的测量光路能够分开，实现多探针的同时、独立运动测量。然而，这种多测量光路系统不仅成本高，而且需要探针以不同角度和位置进行排布，当探针距离较近时协调控制较难(会产生撞针现象)。对于实际应用和商业化都存在诸多实际难以克服的问题，所以目前仍然缺乏成熟的基于多系统的用于多探针协同操控与测量的系统。

另一种多探针协同测量与控制方法是将多个探针制造在同一个基座上，多探针以极小间距、相同角度和方向进行排布，并在探针悬臂梁上集成形变传感器，例如压电应变片、温敏传感器等，以实现同时、独立的运动位置测量。这种方法虽然能够实现双探针独立驱动和测量的功能，但是仍然有以下弊端：1.对样品和工作环境有特殊要求，无法应用于液体、生物、非导电等样品，工作环境和测量对象受限；2.探针结构复杂，机械特性无法应用高级成像控制模式(如峰值力轻敲模式等)，功能受限。

综上所述，需要一种能够使用传统光学测量方法来实现超近距离多探针同时独立运动测量的方法和装置。

发明内容

本发明要解决的技术问题是超近间距、并行排布多探针的同时、独立运动测量方法。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种原子力显微镜多探针同时独立运动测量装置，包括并列设置于探针基座上的至少两个悬梁臂，每个悬梁臂末端均设有针尖；

所述悬梁臂表面设有周期性分布规律的光栅结构，用于将照射到光栅结构的激光进行反射、并通过反射光探测器接收。

所述至少两个悬梁臂表面位于同一平面，相邻两个悬梁臂之间间距在10微米以内。

在同一悬梁臂中，光栅结构的特征尺寸相同，即光栅宽度相等、且光栅之间的间距相等。