一种基于静电控制扭摆的导体表面电势测量仪的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于精密测量领域，更具体地，设及一种基于静电控制扭摆的导体表面电 势测量仪。
【背景技术】
[0002] 随着科学的发展和进步，在地面和空间的各种弱力测量实验中对实验精度的要求 越来越高，因此对检验质量表面的形貌W及其表面的电势分布等也提出了更高的要求。为 了加工出符合实验要求的检验质量，首先需要极高精度的仪器来测量出检验质量表面的电 势分布，电磁参量W及表面形貌等特征。然后根据检验质量表面各种特征的测量结果在加 工过程W及后期表面处理工艺中对相应的特征差异进行控制。
[0003] 早在20世纪80年代，基于原子力显微镜平台的Kevin探针测量仪器的发明，实现 了在小尺度下对样品表面的形貌W及表面电势分布的测量。二者的工作原理也十分相似， 都是利用微小尺寸的探针在近距离的条件下通过与样品间的相互作用来研究导体的表面 形貌特征或导体表面的电势分布。该类显微镜探针测试平台在对样品表面特征的测量中具 有极高的空间分辨率，且使用该类显微镜探针不需要使所述待测样品发生变化，也无需对 样品进行破坏。
[0004] 该方法是将探针安装在弹性微悬臂梁的一端（如图1所示），通过探针在样品表面 扫描来测量其表面特征。在Kelvin探针测量过程中，通过在悬臂梁一端的探针上加载调制 变化的电压，并提取探针与样品间静电作用力的基频分量。通过改变加载到探针上的补偿 电压，使得静电作用力的基频分量输出为零，进而得到导体不同位置表面电势的大小。
[0005] 目前，原子力显微镜与Kelvin探针技术已经成功地应用于各个领域，但是随着精 密测量实验中实验精度的不断提高，W及科学方式的不断进步。该类测量仪的不足之处也 逐渐显现。例如，原子力显微镜和Kelvin探针对样品的尺寸有比较大的限制，通常很难直 接对实验中实际的检验质量进行测量。而且该类测量仪器的结构也比较复杂，搭建成本较 高，且悬臂梁的热噪声也限制了该类仪器的测试精度，目前Kelvin探针测量表面电势的精 度仅在lmV/Hzi/2。
[0006] 扭砰由于其高灵敏度的特性，被广泛用于各类弱力测量，是精密测量领域中常用 的测量手段之一。在18世纪末期，英国物理学家卡文迪许发明了扭砰，并应用扭砰第一次 在实验室测量了牛顿万有引力常数G。如今，扭砰被越来越多地应用到引力实验W及其他 弱力检测中，例如近距离非牛顿引力实验检验，等效原理检验，高精度传感器地面分辨率检 验，W及传感器各种残余绕动力检测等等。
[0007] 传统的扭砰系统是将检验质量用悬丝悬挂，并用之来响应外部的扰动力（或力 矩），然后利用高精度的传感器来检测扭摆检验质量的偏转运动。通过测量其扭转角度或者 周期来测得输入力矩的大小及其变化。传统的扭砰系统只能测量导体表面的平均电势而无 法测量导体表面的电势分布。
【发明内容】
[0008] 针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于静电控制扭摆的导体表面 电势测量仪，旨在解决导体表面电势测量分辨率偏低的问题。
[0009] 本发明提供了一种基于静电控制扭摆的导体表面电势测量仪，包括悬丝、探针支 架，扫描探针，多自由度微位移平移台，角度传感器，控制系统和反馈执行机；所述探针支架 为工字型结构，具有四个端面，所述扫描探针设置在所述探针支架的任意一个端面上；所述 悬丝悬挂所述探针支架构成扭摆；工作时，待测样品设置在所述多自由度微位移平移台上， 待测样品的待测表面正对且平行于所述扫描探针的端面；所述扫描探针的端面与所述待测 表面不接触；当所述扫描探针与所述待测样品之间存在相互作用时，所述角度传感器将检 测的所述扭摆的扭转信息传给所述控制系统；所述控制系统将所述扭转信息进行PID运算 后获得的反馈控制电压传给所述反馈执行机，所述反馈执行机根据所述反馈控制电压产生 一个与外力矩等大的反馈控制力矩并施加给所述探针支架，使得所述探针支架保持相对静 止；通过驱动所述微位移平移台使所述待测样品相对于所述扫描探针移动，从而实现对样 品表面不同区域的扫描测量。
[0010] 其中，所述扫描探针的端面与所述待测表面之间的距离为几十个微米到几个毫 米；可W保证整个测量仪器的分辨率较高。
[0011] 其中，角度传感器可W为光学传感器或电容传感器。
[0012] 其中，所述反馈执行机可W为静电执行机或磁反馈执行机。
[001引其中，样品表面待测位置处的电势值V?与反馈控制电压Vf满足W下关系：
【主权项】
1. 一种基于静电控制扭摆的导体表面电势测量仪，其特征在于，包括悬丝（I)、探针支 架（2)，扫描探针（3)，多自由度微位移平移台（5)，角度传感器（6)，控制系统（7)和反馈执 行机（8); 所述探针支架（2)为工字型结构，具有四个端面，所述扫描探针（3)设置在所述探针支 架（2)的任意一个端面上；所述悬丝（1)悬挂所述探针支架（2)构成扭摆； 工作时，待测样品（4)设置在所述多自由度微位移平移台（5)上，待测样品（4)的待 测表面正对且平行于所述扫描探针（3)的端面；所述扫描探针的端面与所述待测表面不接 触； 当所述扫描探针（3)与所述待测样品（4)之间存在相互作用时，所述角度传感器（6) 将检测的所述扭摆的扭转信息传给所述控制系统（7);所述控制系统（7)将所述扭转信息 进行PID运算后获得的反馈控制电压传给所述反馈执行机（8)，所述反馈执行机（8)根据所 述反馈控制电压产生一个与外力矩等大的反馈控制力矩并施加给所述探针支架（2)，使得 所述探针支架（2)保持相对静止；通过驱动所述微位移平移台（5)使所述待测样品（4)相 对于所述扫描探针（3)移动，从而实现对样品表面不同区域的扫描测量。
2. 如权利要求1所述的导体表面电势测量仪，其特征在于，所述扫描探针的端面与所 述待测表面之间的距离为几十个微米到几个毫米。
3. 如权利要求1或2所述的导体表面电势测量仪，其特征在于，所述角度传感器（6)为 光学传感器或电容传感器。
4. 如权利要求1-3任一项所述的导体表面电势测量仪，其特征在于，所述反馈执行机 (8)为静电执行机或磁反馈执行机。
5. 如权利要求1-4任一项所述的导体表面电势测量仪，其特征在于，样品表面待测位 置处的电势值Vtm与反馈控制电SVf满足以下关系：
；其中札为 闭环控制系统中静电执行机的灵敏度系数，Cp为探针与样品之间的电容，dp为探针端面与 样品表面的间距，Ip为探针中心到悬丝的距离，V 3为在探针上加载电势。
【专利摘要】本发明提供了一种基于静电控制扭摆的导体表面电势测量仪，包括悬丝、探针支架，扫描探针，多自由度微位移平移台，角度传感器，控制系统和反馈执行机；扫描探针设置在探针支架的任意一个端面上；悬丝悬挂探针支架构成扭摆；工作时，待测样品设置在多自由度微位移平移台上，待测样品的待测表面正对且平行于扫描探针的端面；扫描探针的端面与待测表面不接触；当扫描探针与待测样品之间存在相互作用时，角度传感器将检测的扭摆的扭转信息传给控制系统；进行PID运算后获得的反馈控制电压传给反馈执行机，产生一个与外力矩等大的反馈控制力矩并施加给探针支架，使得探针支架保持相对静止；驱动微位移平移台使待测样品相对于扫描探针移动，从而实现对样品表面不同区域的扫描测量。
【IPC分类】G01Q80-00
【公开号】CN104865410
【申请号】CN201510220791
【发明人】周泽兵, 白彦峥, 尹航, 胡明
【申请人】华中科技大学
【公开日】2015年8月26日
【申请日】2015年5月4日