一种原子力显微镜多探针同时独立运动测量方法与装置

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。

技术实现要素：

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。

不同悬梁臂的光栅结构特征尺寸不同。

一种原子力显微镜多探针同时独立运动测量装置，还包括至少两个反射光探测器，所述反射光探测器设于激光照射在某一悬梁臂表面的反射光路上；每个反射光探测器对应一个悬梁臂。

所述反射光探测器前设有滤光片，且不同的反射光探测器前设置的滤光片中心波长不同，以过滤其它悬臂梁反射光源的干扰。

所述反射光探测器为位置传感器。

所述激光波长与悬臂梁表面的光栅结构特征尺寸对应，即所述波长的激光经过具有对应特征尺寸的光栅结构反射后，产生1阶反射，反射角度与预设的光路角度对应。

不同的光栅结构的1阶反射具有不同的反射角。

一种原子力显微镜多探针同时独立运动测量方法，包括以下步骤：

不同波长的激光经过同一光路照射在至少两个悬臂梁上，经过悬臂梁表面的光栅结构形成不同反射角度的反射光；

对于每个反射光探测器，其对应的滤光片过滤掉其它悬臂梁反射光源的干扰，使多个反射光探测器分别接收到不同波长的激光，以检测悬臂梁运动，实现多悬臂梁同时运动或独立运动的测量。

本发明具有以下优异效果：

1、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。

2、本发明采用光杠杆原理实现多探针运动测量，对探针的工作环境无特殊要求，因此可以在大气、液态等环境进行工作。

附图说明

图1为本发明的将不同特征尺寸的栅格结构作为物理标签的多探针结构原理示意图；

图2为图1的俯视图；

其中100是具有不同特征尺寸的栅格结构作为物理标签的多探针，1和2分别是两个悬臂梁，3和4分别是悬臂梁1和2自由端的针尖，5和6分别是悬臂梁1和2背面上的光栅刻线，光栅刻线5和6具有周期性分布规律，刻线5的距离为a1，刻线6的距离为a2，7是照射在悬臂梁背面的激光光斑，激光为不同波长的混合激光；

图3展示了多探针静止时测量光路示意图；

其中8是不同波长的混合激光入射光路，激光波长与多悬臂梁背面的光栅结构特征尺寸对应，9是入射的混合激光照射到带有不同光栅结构的多悬臂梁上后的0阶反射光路，10是对应悬臂梁1背面光栅结构5的1阶反射激光光路，11是对应悬臂梁2的激光但是照射在悬臂梁1背面光栅结构5后的1阶反射光路，12是对应悬臂梁1的激光但是照射在悬臂梁2背面光栅结构6后的1阶反射光路，13是对应悬臂梁2背面光栅结构6的1阶反射激光光路，14是悬臂梁1对应激光的位置传感器，15是过滤悬臂梁2对应激光但是可以透过悬臂梁1对应激光的滤光片，16是悬臂梁2对应激光的位置传感器，17是过滤悬臂梁1对应激光但是可以透过悬臂梁2对应激光的滤光片，18是垂直于悬臂梁1和2的法线；

图4为多探针的同时、独立运动测量方法示意图一；

图5为多探针的同时、独立运动测量方法示意图二；

其中19为悬臂梁2向下运动后垂直于悬臂梁2的法线，20为照射在悬臂梁2背面光栅结构上激光的0阶反射光路，21和22分别为光路12和13在悬臂梁2运动后的反射光路，23为位置传感器16上的激光光斑；

具体实施方法

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明使用光栅结构作为物理标签的原子力显微镜多探针同时独立运动测量方法与装置。多探针的多个悬臂梁背面有不同特征尺寸的栅格结构作为不同探针的物理标签。多探针的同时、独立运动测量采用光杠杆测量方法。不同波长的激光经过同一光路照射在多悬臂梁上，经过悬臂梁背面栅格结构形成不同反射角度的高阶反射光，位置传感器前有滤光片，能够过滤掉其他悬臂梁反射光源的干扰，最终并照射到对应的位置传感器(psd)上，实现多探针同时、独立运动的测量。多探针测量方法辅助多探针的独立运动控制，可以实现多点位的同时测量、成像及协同操控与测量。

本发明基于原子力显微镜技术的多探针探测技术，至少有探针1和探针2；探针1和探针2测量光反射面具有不同特征参数的反射光栅1和光栅2；光栅1和光栅2的1阶反射具有不同的反射角1和反射角2；与探针1和探针2对应的反射光探测器1和探测器2处在不同的空间位置；探针1和探针2可实现同时测量和分别控制。

如附图1所示，本发明的多探针100由悬臂梁1、2和悬臂梁自由端的针尖3、4及悬臂梁背面的栅格5、6构成。悬臂梁1和2在静止状态平行并处于同一平面，间距在10微米以内。悬臂梁1和2背面分别带有栅格5和6，其特征尺寸(间距)分别为a1和a2，作为悬臂梁的物理标签。悬臂梁1和2自身的尺寸及其力学特性可以不同，针尖3和4也可以具有不同的尺寸和材料特性；

如附图2所示，不同波长的激光经过同一光路同时照射在悬臂梁1和2上，形成重叠的激光光斑7；

如附图3至图5为，本发明的多探针独立运动测量方法的实施例。如图3所示，两束入射激光的波长分别为532纳米和670纳米，并且经过相同的光路8照射到悬臂梁1和2上。悬臂梁1和2背面栅格的特征尺寸(间距)分别为2微米和1微米。悬臂梁1和2处于静止状态，两个悬臂梁表面在同一平面。激光光路8与悬臂梁法线18的夹角为10度。衍射光栅的反射角度公式为β＝arcsin(sinα-mλ/a)，其中α＝10°为入射激光光路8与法线18的夹角，λ为入射激光的波长，m为反射激光的阶数，a为光栅特征尺寸(间距)，β为m阶反射激光光路与法线18的夹角。本实施例中，悬臂梁1和2上的栅格特征尺寸分别为a1＝2000nm、a2＝1000nm，悬臂梁1和2对应的测量激光波长分别为λ1＝532nm、λ2＝670nm。与入射光路8异侧的1阶(m＝-1)反射光路为10、11、12、13。反射光路10和11分别对应波长为λ1和λ2的激光在悬臂梁1(栅格特征尺寸为a1＝2000nm)上的1阶反射，反射光路12和13分别对应波长为λ1和λ2的激光在悬臂梁2(栅格特征尺寸为a1＝1000nm)上的1阶反射。反射光路10、11、12、13与法线18的夹角分别为β10＝26.08°、β11＝30.57°、β12＝44.88°、β13＝57.53°，光路10与光路11为一组，光路12与光路13为一组，这两组激光光路角度相差可达20°以上，可以通过位置传感器15和16的空间位置进行区分。也就是说，光路10与11照射在位置传感器15上，而光路12和13照射在位置传感器16上，而不会相互干扰。滤光片15过滤波长为λ2＝670nm的激光而透过波长为λ1＝532nm的激光，只有通过悬臂梁1反射的波长为λ1＝532nm的激光10照射在位置传感器15上；滤光片17过滤波长为λ1＝532nm的激光而透过波长为λ2＝670nm的激光，只有通过悬臂梁2反射的波长为λ2＝670nm的激光13照射在位置传感器16上。也就是说，位置传感器14检测到的激光光路10只与悬臂梁1相关，位置传感器16检测到的激光光路13只与悬臂梁2相关。如图4所示，当悬臂梁1静止而悬臂梁2向下运动，悬臂梁2与水平方向会产生偏转角。在本实施例中悬臂梁2向下偏转2°，使得悬臂梁2的法线19与悬臂梁1的法线18也相差2°。照射在悬臂梁2上的激光的1阶反射光路会随之发生变化，在悬臂梁2静止状态下的光路12、13分别变成光路21、22。根据衍射光栅的反射角度公式，可以计算出光路21和22相对于法线18的偏转角度为β21＝49.72°、β22＝63.39°。

如图5所示，23是光路13照射在位置传感器16上形成的激光光斑，位置传感器能够实时检测光斑23在四象限位置传感器16上的位置变化。当悬臂梁2发生运动，光路13变成光路22，照射在位置传感器16上的光斑23也随之发生变化，进而检测到悬臂梁2的运动。利用本专利发明的方法，可以检测悬臂梁上下弯曲和左右扭转的运动。因此，根据位置传感器16上激光光路13的位置变化可以检测悬臂梁2的运动。同理，根据位置传感器14上激光光路10的位置变化可以检测悬臂梁1的运动。而且位置传感器14和16的检测结果相互独立、互不干扰，从而实现了多探针的同时、独立运动测量。