[发明专利]原子力显微镜一体化双探针快速原位切换测量方法与装置

权利要求书

1.原子力显微镜一体化双探针快速原位切换测量装置，其特征在于，包括由铰链结构、两个悬臂梁、以及悬臂梁自由端设置的针尖构成的双探针；

所述铰链结构为U字型本体，两个末端分别延伸有第一悬臂梁和第二悬臂梁，第一悬臂梁自由端和第二悬臂梁自由端分别设有第一针尖和第二针尖。

2.根据权利要求1所述的原子力显微镜一体化双探针快速原位切换测量装置，其特征在于，所述双探针设置于双探针探针夹上；所述双探针探针夹包括：夹具、探针底座、探针夹固定基底、以及用于驱动单个悬梁臂的压电陶瓷；所述探针底座和探针夹固定基底连接，铰链结构通过夹具固定在探针底座上；与压电陶瓷连接的压电陶瓷控制器用于通过控制压电陶瓷驱动单侧悬臂梁，以实现单侧悬臂梁的独立运动。

3.根据权利要求1或2所述的原子力显微镜一体化双探针快速原位切换测量装置，其特征在于，两个悬梁臂的弹性系数、两个针尖尺寸、两个针尖材料中至少一个不同。

4.根据权利要求2所述的原子力显微镜一体化双探针快速原位切换测量装置，其特征在于，所述与压电陶瓷连接的压电陶瓷控制器用于通过控制压电陶瓷驱动两个悬臂梁，以实现双侧悬臂梁的独立运动。

5.根据权利要求1或2所述的原子力显微镜一体化双探针快速原位切换测量装置，其特征在于，所述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。

6.根据权利要求1所述的原子力显微镜一体化双探针快速原位切换测量装置，其特征在于，还包括一个反射光探测器，所述反射光探测器用于接收经两个悬梁臂反射的激光。

7.根据权利要求1所述的原子力显微镜一体化双探针快速原位切换测量装置，其特征在于，用于通过双探针实现接触模式、轻敲模式或峰值力轻敲模式。

8.原子力显微镜一体化双探针快速原位切换测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

在非工作状态时，两个悬臂梁的位置处在水平状态，样品位于第一悬臂梁的第一针尖下方；控制两个悬臂梁产生相对运动，使第一针尖的位置低于第二针尖，通过控制第一悬臂梁与样品产生距离为z3的相对运动，此时第一针尖与样品上的测试点接触以进行测量或者扫描成像；

控制两个悬臂梁产生相对运动，使它们的位置处在水平状态；控制双探针和样品之间的相对运动，使样品沿着运动方向移动距离d，所述d为两个针尖间距；此时测量点位于第二针尖的正下方；

控制两个悬臂梁产生相对运动，使第二针尖的位置低于第一针尖，通过控制第二悬臂梁与样品产生距离为z4的相对运动，使第二针尖与测量点接触以进行测量或者扫描成像，完成一次探针的快速原位切换过程。

9.原子力显微镜一体化双探针弯曲运动和扭转运动测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

激光照射在两个悬臂梁上，在第一悬臂梁与第二悬臂梁上形成两个光斑，并反射至反射光探测器上，分别形成第一激光光斑和第二激光光斑；

控制两个悬臂梁产生相对运动，使第二悬臂梁的位置低于第一悬臂梁，此时经过第二悬臂梁反射的第二激光光斑向下运动；第一悬臂梁不发生运动，经过第一悬臂梁反射的第一激光光斑不发生运动；

调节反射光探测器的位置，使第二激光光斑中心处于反射光探测器中心位置，第一激光光斑处在反射光探测器外或边缘；

当第二悬臂梁独立运动时，其反射至反射光探测器的第二激光光斑产生相应的横向和纵向运动，分别得出第二悬臂梁的扭转和弯曲运动。

当经过静止的第一悬臂梁反射的第一激光光斑处在反射光探测器内部时，第一激光光斑静止，得出第二悬臂梁的扭转和弯曲运动。

10.原子力显微镜一体化双探针轻敲模式成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

激光照射在双探针中的某一悬臂梁上，并反射至反射光探测器上，形成激光光斑；工作探针位移驱动器产生直流偏移信号与交流振动信号的复合信号送至压电陶瓷控制器中，驱动与所述悬臂梁对应的单个压电陶瓷以产生静态偏移与高频振动的复合运动，并带动所述悬臂梁产生模式相同的复合运动；

所述悬臂梁的运动通过激光光路放大后被反射光探测器检测出，产生的工作探针交流信号送至锁相放大器中作为输入信号；直流偏移信号与交流振动信号的复合信号经过直流隔离电路，将交流振动信号送至锁相放大器中作为参考信号；锁相放大器输出工作探针交流信号中与参考信号同频信号分量的幅值，送至减法器中与振幅设定值做差，并将差值送至反馈控制器；反馈控制器输出控制信号，送至三维运动驱动器控制扫描头或样品的三维运动，实现扫描成像。