石英音叉是一种谐振频率稳定、品质因数高的时基器件,其音叉臂的谐振参数(谐振振幅和谐振频率)对微力极其敏感。利用石英音叉对外力的敏感性,与钨探针结合,构成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,研制基于相位反馈控制的扫描探针显微镜。

     首先介绍石英音叉测头的构成、工作原理和特性测试,以及由该测头构建的扫描探针显微镜的结构和测试、分析。通过对测头和系统的测试结果分析,系统达到1.2 nm的垂直分辨率,并通过对一维栅的测量,给出扫描获得的试样表面微观形貌图以及相位图,证明系统的有效性。另外,由于采用大长径比的钨探针,该系统具有测量大深宽比微器件表面轮廓的能力。

      基于石英音叉剪切力模式的扫描探针显微镜系统的设计和实现。系统由基于PC104总线的工业主板、ATmega16电机控制模块、高压驱动模块、数据采集和前置信号处理模块组成,在TCP/IP和RS232通信协议的基础上通过自定义上层通信协议完成各模块之间的连接。由于采用了模块化设计和工业化标准,该系统可稳定工作于工业现场,用于加工件表面质量的测量、集成电路缺陷检测、材料瑕疵分析等。