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微悬臂及其检测装置作为晶振微力传感器
频率控制元器件石英晶振是世界科技，智能化发展的推动力，所以晶振产业发展了一百多年，仍然是市场上最重要的电子元件，产品里的核心零部件。全球有数不清的晶振厂家，知名的大概有几十家到上百家，都是专业化设计，开发和生产各种石英晶体和石英晶体振荡器，并且为了达到完美，创新了许多新技术，晶振的微力传感器就是其中一种。
SFM的关键部件是微悬臂,为了准确反映样品的表面形貌,提高仪器的灵敏度,微悬臂应满足下列要求:(1)低的力弹性常数,这样受到很小的力就能产生很大的可检测的位移。(2)高的横向刚性,可以减小横向力的影响。(3)传感器带有导电极和镜子,以便可以通过隧道电流法或光学法检测微悬臂的微小形变。(4)一-个尽可能尖锐的针尖。另外,一个检测微悬臂形变的装置也是必不可少的。理想的检测方法应具有纳米级的灵敏度,并且检测方法本身对悬臂的影响应小到可以忽略不计的地步。
检测悬臂形变的方式基本上可以分为三种:(1)隧道电流检测法(2)电容检测法(3)光学检测法81。隧道电流检测法是通过测量微悬臂表面和STM针尖之间的隧道电流变化来检测微悬臂的形变。石英晶体谐振器电容检测法是当微悬臂受力的作用而产生微位移时,将改变与之相连的电容的极板间距离,因此电容值发生变化。这两种检测方法已经很少用了。现在绝大多数用的是光学检测方法,光学检测法有两种基本的检测类型:干涉法和反射法,干涉法是通过参考光束和探测光束的干涉后产生的相移来反映微悬臂的位移,进而得到微悬臂所受的力的大小。反射法比干涉法简单,但需要微悬臂具有较光滑的反射表面。不论哪种方法,必要的光学检测仪器是不可缺少的(如四象限光电检测器),而这种检测仪器通常都是非常昂贵的。
根据探针同贴片晶振样品作用力性质的不同,SFM仪器主要有三种成像模式:接触模式,非接触(抬举)模式和轻敲模式8,如图12所示
在接触模式中,针尖始终同样品接触并简单地在表面上滑动。当针尖顶部原子的电子云压迫样品表面原子的电子云时,会产生微弱的排斥力。大小通常为10-8~10-11N。接触模式的优点是可产生稳定、高分辨率图像,但由于探针在样品表面上的移动以及针尖-表面间的粘附力,有可能使得进口晶振样品产生相当大的变形,同时表面摩擦力也使得针尖产生较大的损害。
非接触模式是控制探针在样品表面上方扫描,始终不与样品表面接触因而针尖不会对样品造成污染或产生破坏,避免了接触模式中遇到的一些问题。针尖和样品之间的作用力是很弱的长程作用力一范德华吸引力。非接触模式是测量长程力所采用的方法，其分辨率比接触模式的分辨率要低,由于针尖很容易被表面吸附气体的表面压吸附到样品表面,造成图像数据不稳定和对贴片石英晶振样品的破坏。因此非接触模式操作实际上较为困难,并且通常不适合在液体中成像。
轻敲模式介于接触模式和非接触模式之间(13l。其特点是扫描过程中微悬臂也是振荡的并具有比非接触更大的振幅(大于20nm),针尖在振荡时间断地与样品接触。由于针尖与样品接触,分辨率几乎和接触式扫描一样的好,但由于接触是短暂的,因此对样品的破坏几乎完全消失,克服了常规扫描模式的局限性。轻敲模式还具有大而且线性的操作范围,使得垂直反馈系统具有高度稳定性,可重复进行样品测量。对于软、粘和脆性样品的研究具有独到的优势但轻敲模式同样也增加了操作和设备的复杂性,在实际运用中存在着不易控制的缺点。
SFM技术的发展强烈依赖于带有特殊针尖的微悬臂制备技术的发展13-15。这种微悬臂和针尖必须是能够简便而快速制备的。在原子力显微镜发展之初,悬臂几何形状一般为L形。其主要是通过将一个很细的金属丝或线圈弯曲90°后,顶端经电化学腐蚀成一个针尖而制备得到的。这种制备方法完全依赖于实验技师的手工技能。第二种悬臂制备方法是微刻技术。第一代是简单的SiO2悬臂,形状为直角和三角,是从氧化硅片上刻蚀得到的。其同腐蚀金属针尖相比,不能很好的控制其尖锐程度。后来改用SiN4代替SiO2作为悬
臂材料。Si3N4脆性较低,而且厚度可以从1.5降到0.3um。这一代悬臂具有完整针尖,而且曲率半径非常低。美国斯坦福大学是在硅片上刻蚀出金字塔形的小片,可以得到曲率半径小于30nm的针尖。IBM公司则采用硅片(100)来制备具有完整针尖的硅悬臂,曲率半径低于100nm。这些通过微电子加工将针尖集成于一体的微悬臂方法有很好的可重复性,不需粘另外的针尖,便于大批量生产。所以一般商用的AFM都采用这种力传感器。但对于静电力显微镜和磁力显微镜来说,由于针尖材料具有特殊的要求,还是要采用在微悬臂上粘针尖的方法。
从以上可以看出,这些基于微悬臂的SFM它们都有一个共同的缺点；它们不仅需要一个结构复杂的微小悬臂作为力的传感器,而且还要一个激光干涉仪用于检测微悬臂的微小位移来获得表面变化信息。因而结构较为复杂,成本也很高,操作难度增大,也就造成其在应用中的局限性。所以必须采用其他的晶振传感器和非光学的检测方法。
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