基于光偏轉原理的AFM光電檢測系統設計*

王旭東，溫 陽，王慧云，秦 麗，溫煥飛，馬宗敏

（1.中北大學省部共建動態測試技術國家重點實驗室，山西 太原 030051；2.中北大學儀器與電子學院，山西 太原 030051）

0 引 言

納米科技是未來高科技發展的基礎，納米材料的化學組成、結構以及顯微組織關系是決定其性能以及應用的關鍵因素，能夠用于納米材料表征的儀器分析方法已經成為納米科技中必不可少的實驗手段［1］。原子力顯微鏡（atomic force microscope，AFM）憑借其高空間分辨率和高效的工作效率，成為迄今為止最常用的納米（nm）尺度結構可視化技術［2，3］，在物理學、化學、生物學、微電子學與材料科學等領域得到了廣泛應用，同時也對AFM的測量分辨率提出了更高的要求［4］。

AFM的測量靈敏度除了受到懸臂梁熱布朗運動（品質因子Q）的限制，還受到懸臂梁偏轉傳感器靈敏度的限制，因此光電檢測系統的設計十分重要。天津大學的于喚喚等人設計了一種觸針式光電三維微位移測量系統［5］，可以通過光學方法放大微小位移，實現10 μm的測量精度，但其較大的實驗裝置并不符合AFM 集成化的發展趨勢。國外的Schmidsfeld A V等學者提出了基于邁克爾遜干涉原理的光學干涉的檢測方式［6］，偏轉噪聲密度達到，盡管具有優異的偏轉靈敏度，但干涉儀因為其復雜的結構設計和高昂的設計成本，尚未能廣泛地應用AFM。所以，如何在滿足高靈敏度需求的同時兼顧簡單的實驗裝置和集成化的設計要求成為了目前的研究重點。

本文通過研究光偏轉技術的原理設計了高靈敏度的光電檢測系統，在集成化的基礎上優化了系統結構，減小了準直光斑發散角，降低了系統偏轉噪聲，提高了AFM 系統的測量分辨率。

1 實驗原理

圖1為使用光偏轉方法的懸臂梁偏轉傳感器的典型實驗裝置［7］。懸臂振動的位移Δz導致懸臂發生偏轉。同時也會引起光電傳感器上激光光斑的位移，光斑位移Δa可以由下式表示

圖1 光偏轉檢測原理

式中lcp為探針懸臂梁與光電傳感器的距離，lc為探針懸臂梁的長度。

激光光斑的位移會導致光電傳感器中不同象限之間電流的差異，假設2個象限之間的電流差為Δi，激光光斑為矩形并且功率分布均勻時，Δi1可以表示為

式中η為光電轉換效率，P為激光照射到光電傳感器上的總功率，a為光電傳感器上激光光斑直徑。另外，假設激光具有標準差為σ的高斯分布時，電流差Δi2可以表示為

式中d為光電傳感器的感知區域的寬度。

式（2）相比于式（3）表達更加直觀，但式（3）比式（2）表示更為準確。為了得到直觀而且準確的表達式，本節定義一個誤差系數χ，令χ＝Δi2／Δi1，χ的值在大多數偏轉傳感器中基本是不變的，在本文中χ＜3%，并且探針懸臂梁位移Δz取±10 nm的區間。如果定義a處光斑的最大激光強度為1／e，那么誤差系數χ取1.13。根據式（2）和式（3），光電傳感器象限之間的電流差Δi表示為

雖然式（4）在理論上計算是準確的，但是在實驗中，激光功率P很難準確測量，相較而言，激光照射到懸臂梁上的功率P0測量比較容易。存在激光功率衰減系數α，使得P＝αP0。式（4）中的Δi會隨著lcp的增加而增加，然而，這是不正確的，因為激光光斑a會隨著懸臂與光電傳感器的距離lcp改變而變化，可以用下式表示

式中a0為準直激光光斑的直徑，lf為聚焦透鏡的焦距。因此，式（4）可以表示為

根據式（6），可以得到探針位移的檢測靈敏度Sz和探針懸臂的偏轉信號之間的關系，其中，RIV為IV轉換器的阻抗，Adiff為差分放大器的增益

光偏轉系統的噪聲性能主要受到光電二極管散粒噪聲的限制。光電二極管散粒噪聲引起的偏轉噪聲nz由式（8）給出［8］

式中lc為懸臂長度，lf為激光到懸臂的距離，α為激光功率的衰減，P0為激光功率，e為電子電荷，η為工作環境介質的折射率，χ為誤差系數。

在光偏轉系統中，激光束的精確聚焦需要高質量的準直激光束。激光束應該具有圓形截面，小的像差和小的發散角，當準直光斑直徑a0比較大時，可以滿足這些需求［9］。

但根據式（8）可知，低系統偏轉噪聲nz要求較小的a0，同時，小的a0也有助于系統集成化，小型化。所以本文需要選擇一個高質量的準直激光束光源。

2 光電檢測系統設計

如圖2所示，本文設計的光偏轉系統主要由由半導體激光器、反射鏡、四象限光電探測器組成。其中，激光器中集成了聚焦透鏡和準直透鏡，是影響光信號質量的重要部分。光偏轉系統通過檢測象限之間的電壓差值反映懸臂的位移情況。半導體激光器發射的光經過激光模組準直聚焦后，然后被LD側鏡反射，入射到懸臂背面。然后，懸臂背面反射的光被PD 側鏡反射，入射到四象限光電探測器的中心。四象限光電探測器被分配為PD1、PD2、PD3、PD4。懸臂的位移和彎曲可以通過與激光入射到四象限光電探測器的中心的偏移來檢測［10］。根據式（9）、式（10），取各光電二極管的檢測量的差

圖2 光電檢測系統

式中Vx，Vy分別為X和Y方向的電壓偏差信號；V1，V2，V3，V4分別為光電探測器4個象限的電壓信號。

為了盡可能地提高檢測位移靈敏度，本節采用半導體激光器、準直透鏡和聚焦透鏡的激光模組的方法。由計算可知，準直激光光斑直徑越小，由激光產生的噪聲越低，同時考慮到半導體激光器是橢圓形光斑和比較大的發散角也會對實驗測試產生影響，最終選取了激光波長λ＝（650 ±10）nm，發散角θ0＝9° ±3°的L650P007 半導體激光器，?5.6 mm的TO-18封裝分立激光二極管是可以適合多種應用的緊湊型光源。

在考慮到激光光斑直徑、系統偏轉噪聲密度和集成化測量單元的需求，本文采用了透鏡組的方式［11］，選取了Edmund Optics公司焦距f1＝6 mm的透鏡作為準直透鏡，直徑為6 mm，并且外層有氟化鎂（MgF2）鍍層；選取了Edmund Optics公司焦距f2＝36 mm 的透鏡作為聚焦透鏡，直徑為6 mm，并且外層有MgF2鍍層，如圖3所示，光程lf＝36 mm。

圖3 激光光程示意

2.1 準直調節

本文從提高準直調節效率和精度的角度出發，設計了一種適用于光偏轉系統的準直調節結構。圖4（a）中可以看到采取的是螺旋式嵌套結構，替代常用的直筒式結構。螺紋線程為1 mm，量化了調節距離，極大提高了調節的精度和準確性。準直透鏡直接固定在公頭上，調節對象從透鏡轉變為機械結構，在避免了透鏡損傷的情況下也將調節過程簡單化。聚焦透鏡和準直透鏡一起安裝到公頭上也使得空間結構可以進一步集成化，小型化。黃銅塊導熱性能良好，可以在激光二極管工作的時候有效的散熱。

圖4 準直結構與調節示意

設計實現后，對準直結構性能進行測試，測試中打開激光二極管，激光功率設置為3 mW，在距離準直透鏡1 m 和2.5 m 處分別用A4 紙獲取準直光斑，從圖4（c）中可以看到，在1 m 處光斑大小為1.6 mm，在2.5 m 處光斑大小為3 mm，準直光斑在1.5 m的距離內直徑增加了1.4 mm，那么激光的發散角

得θ＝0. 053°，而本文采用的準直透鏡焦距僅f1＝6 mm，在系統中需要保持平行激光的距離小于1 cm，在此距離內可以認為激光光束已經達到了準直的要求。

2.2 三維調節

光偏轉結構中對于激光光程是有嚴格要求的，激光光束在聚焦透鏡的焦距處準確得到最小的激光光斑。如果采用固定反射結構的方法雖然可以節省調節光路的工作，但是在實際操作中容易因為加工偏差和器件磨損造成一定的誤差，此時固定結構會極大影響實驗的進行。本節中采用了可以在三維空間內調整透鏡方向的球形轉子的結構設計，可以在α，β，γ方向靈活調節透鏡位置，改變激光光束方向和光程，彌補實驗中出現的誤差，如圖5所示。

圖5 三維轉子結構

驅動球形轉子在三維方向轉動的結構設計采取了堆疊型壓電陶瓷結構，利用了慣性驅動原理驅動金屬球偏轉［12］，驅動電壓如圖6 所示，壓電陶瓷的納米級位移可以實現高精度和高靈活性的設計需求。球形轉子的固定方式利用了磁鐵與可伐合金之間的磁力作用，可以使球形轉子穩定的放置于壓電陶瓷中，避免了固定的機械結構干擾壓電陶瓷工作。驅動方式采用剪切壓電配合慣性驅動的方法。

圖6 剪切型驅動電壓

3 實驗測試

3.1 光電檢測系統測試

實驗中選取0.1 mW的激光功率調節激光光斑位置，因為較大的激光功率會產生較多的散射光，不利于觀測。通過調節LD反射鏡和PD反射鏡，使激光光斑向著探針懸臂的方向移動，同時觀察四象限探測器上電流大小。當電流示數發生突變時，說明激光已經反射到探針懸臂的位置，繼續調試LD和PD反射鏡，當無論調節α，β，γ任意方向電流示數都不再增大反而減小時，此時激光光斑已經完全打到探針懸臂，完成對準。然后，使用示波器觀測激光光斑位置，通過調節PD反射鏡，使激光光斑處于四象限光電探測器的中心。然后，依次斷開象限和示波器之間的連接，觀察激光光斑位置變化情況，從圖7中可以看到，斷開PD1 通道時，光斑會偏移到2 象限，斷開PD2 通道，光斑偏移到4 象限，斷開PD3通道，光斑偏移到3象限，斷開PD4通道，光斑偏移到1象限，激光光斑位置會立即向所斷開象限發生偏移，符合對應關系。表明光偏轉系統具有良好的靈敏度和準確性。

圖7 激光光斑位置與光電探測器象限對應關系

關閉探針起振模塊，測量非工作條件下系統的熱噪聲，在（f0-97.1 Hz，f0＋97.1 Hz）的頻率范圍內得到系統偏轉噪聲為，如圖8所示。

圖8 偏轉噪聲測量

3.2 AFM系統測試

使用Nanonis SPM（RC-4）控制器跟蹤頻移來調節探針針尖和樣品之間的距離，激勵模塊（OC-4：Nanonis）在恒定振幅模式下驅動探針（NCH：Nanoworld）振動。頻移信號的監測通過數字鎖相環（PLL）完成。

如圖9 所示，在真空度為3. 4 ×10-6Torr（1 Torr ＝133.322 Pa）的真空環境下測量探針起振共振峰，共振頻率為161.2 kHz，振幅為28.6 nm，品質因子Q為14 083，半高寬為16.5 Hz，相位偏轉為180°。高Q值，低帶寬證明了光電檢測系統低噪聲，高靈敏度的性能。

圖9 共振峰測量

圖像掃描范圍300 nm×300 nm，像素分辨率256 ×256，可以通過圖10（a）看到明顯的連續臺階結構，圖10（b）選取了250 nm的直線距離測量了明亮分界線周圍的高度變化，可以觀察到高度差約為250 pm的臺階高度變化，證明AFM系統達到了0.1 nm的高空間分辨率。

圖10 硅掃描圖像

4 結束語

本文針對AFM系統由于光電信號檢測誤差達不到理想分辨率的問題，設計了基于光偏轉原理的光電檢測系統，并重點對激光準直調節結構優化升級，提高了調節效率和準確性，結合壓電陶瓷的慣性驅動原理設計了三維調節結構，可以靈活調節LD 反射鏡和PD 反射鏡偏轉角度，短光程的設計既滿足了實驗的測量需求，也為集成化的研究奠定了基礎。設計實現后對光電檢測系統和AFM 系統進行實驗測試。結果表明：光電檢測系統具有低噪聲，高靈敏度的性能，憑借光電檢測系統的優越性能，AFM系統的空間分辨率達到了0.1 nm，為表面形貌的測量提供了有力的工具。