CN104965105A - 集成超声换能器的afm探针阵列 - Google Patents
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Abstract
一种集成超声换能器的AFM探针阵列，包括：一基座，该基座为矩形；多个微悬臂梁，其分别与基座的一侧边连接，每一微悬臂梁上制作有针尖；多个超声换能器，其分别制作在多个微悬臂梁的背面及或基座的背面；其中多个微悬臂梁和多个超声换能器组成探针阵列。本发明是在探针上集成超声换能器解决了样品的内部成像问题，且阵列式的探针结构提高了成像速度。
Description
技术领域
本发明涉及原子力显微镜以及超声检测领域，尤其涉及一种集成超声换能器的AFM探针阵列。
背景技术
1986年，G.Binnig和C.F.Quate研制成功原子力显微镜(Atom ForceMicroscope，AFM)，AFM利用原子间相互作用力来检测样品表面形貌，能够实现对导体、半导体以及绝缘体材料表面原子级的观察。但是传统的AFM技术无法探测样品内部的结构信息，只能进行表面成像分析，因此检测样品内部结构信息时需要寻求其他手段。另外，AFM成像速度也十分重要，单个AFM探针扫描使得成像速度受到限制。
超声成像技术利用超声波信号在不同介质里传播时发生反射，通过对反射信号进行接收、处理，从而检测样品内部形貌，是重要的样品内部成像手段。在超声成像技术中，实现超声波的发射与接收的装置是超声换能器，通常由压电材料制作，能够产生和接收超声波信号。
针对AFM不能对内部成像以及单个探针扫描速度慢的问题，本发明提出一种集成超声换能器的AFM探针阵列。与单个AFM探针相比，阵列型探针结构能够实现样品的快速扫描成像，同时超声换能器能够实现对样品内部结构的检测。应用此探针阵列，结合相应外围电路，可实现原子力成像或超声成像的单独检测，也可以两者同时进行成像检测。
发明内容
本发明的目的在于提出一种集成超声换能器的AFM探针阵列结构，在探针上集成超声换能器解决了样品的内部成像问题，且阵列式的探针结构提高了成像速度。
为了实现上述目的，本发明提供一种集成超声换能器的AFM探针阵列，包括：
一基座，该基座为矩形；
多个微悬臂梁，其分别与基座的一侧边连接，每一微悬臂梁上制作有针尖；
多个超声换能器，其分别制作在多个微悬臂梁的背面及或基座的背面；
其中多个微悬臂梁和多个超声换能器组成探针阵列。
从上述技术方案可以看出，本发明的有益效果是：
1、本发明提出在AFM探针上集成超声换能器，运用超声检测原理，能够实现对样品内部的成像分析。
2、本发明提出阵列式的AFM探针结构，扩大扫描范围，解决单个探针扫描成像速度慢的问题。
3、本发明提出的梳齿型或圆环型阵列式结构，除了加快扫描成像速度外，在超声检测方面能够提高超声成像的分辨率。
附图说明
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，其中：
图1为本发明第一实施例集成超声换能器的梳齿型AFM探针阵列；
图2为本发明第二实施例集成超声换能器的圆环型AFM探针阵列；
图3为图2圆环型AFM探针的针尖阵列分布示意图，显示开口及针尖的位置；
图4为超声换能器的侧视结构示意图。
具体实施方式
请参阅图1、图2、图3及图4所示，本发明提供一种集成超声换能器的AFM探针阵列，包括：
一基座10，该基座10为矩形，所述基座10的厚度为300-500um；
多个微悬臂梁20，其分别与基座10的一侧边连接，每一微悬臂梁20、20’上制作有针尖21、21’所述微悬臂梁20、20’的厚度为1-10um，宽度为30-50um；
多个超声换能器30、30’，其分别制作在多个微悬臂梁20、20’的背面及或基座10的背面，所述超声换能器30、30’包括一上电极31，及依次连接的一压电薄膜32和一下电极33，上、下电极31、33的材料为金、铂金、铝或铜，压电薄膜32的材料为AlN、PZT、LiNbO3或ZnO，所述超声换能器30、30’的厚度为3-300um；
其中多个微悬臂梁20、20’和多个超声换能器30、30’组成探针阵列，所述探针阵列是采用MEMS微加工工艺在硅片上制作，探针阵列的形状为梳齿型或者圆环型，所述探针阵列的形状为圆环型时，最内侧的圆环为封闭圆环，其他每个圆环型均开有一开口22，该开口22位于基座10的正前方，该圆环型的一半位于基座10的背面，所述探针阵列上的针尖21、21’按照扫描阵列点的规律排列。
在梳齿型探针阵列中，微悬臂梁20长100-300um，阵列间距30-50um。
圆环型探针阵列在超声换能器30，及微悬臂梁20，上有开口22，宽度1-5um，使微悬臂梁20，独立不粘连，呈1/4圆弧形，圆环半径按照一定的规则分别从数十微米递增至数百微米，同一圆弧上的两个针尖21，处于相互独立的微悬臂梁20，上，在AFM检测时互不干扰。超声换能器30，呈圆环型，一半在微悬臂梁20，下，一半延伸到基座10下，形成数个独立的同心圆环，圆环半径同微悬臂梁20’，按照一定的规则分别从数十微米递增至数百微米。由于开口22尺寸很小，故由圆环型超声换能器30’产生的超声波波束特性与完整圆环相比不会受到影响。
超声换能器30、30’用作产生和接收超声波信号，阵列的每个压电薄膜32上产生的超声波信号相位(延迟时间)不同，利用相控阵技术以实现超声波的快速扫描成像。
在扫描样品时，通过与外围电路的配合，可以同时进行AFM成像和超声成像。AFM的检测采用接触或轻敲模式，针尖21、21’与样品表面接触，由于针尖21、21’尖端原子与样品表面原子之间的排斥力作用，微悬臂梁20、20’会产生弯曲形变，不同的表面起伏状况对应不同的弯曲程度，从而使得光检测信号发生改变，由外围处理电路计算得到表面形貌特征。
在AFM扫描过程中，超声成像同时进行。高频电信号通过电极31、33加载给超声换能器30、30’，由超声换能器30、30’输出特定频率的超声波，超声波穿透样品表面，进入样品内部，在不同界面处反射回来。通过控制外围电路，超声换能器30、30’转为接收状态，通过外围处理电路进行分析处理得到内部结构形貌。在进行超声成像时，采用相控阵技术，即高频电信号以不同延迟时间通过电极31、33加载给超声换能器30、30’，通过一定规则控制延迟时间可改变由各阵元发射声波合成的声束形状，产生聚焦和偏转效果，通过这种电扫描完成快速、高分辨率超声波成像。
实施例一
请再参阅图1，是本发明的实施例一的结构示意图，其中超声换能器为梳齿型AFM探针阵列结构，包括：
一基座10，该基座10为矩形；
多个微悬臂梁20，其分别与基座10的一侧边连接，每一微悬臂梁20的端部下面制作有针尖21；
多个超声换能器30，其分别制作在多个微悬臂梁20的背面及或基座10的背面；
其中多个微悬臂梁20和多个超声换能器30组成探针阵列。
实施例二
请再参阅图2及图3，是本发明的实施例二的结构示意图，其中超声换能器为圆环型时AFM探针阵列结构，包括：
一基座10，该基座10为矩形；
多个圆环型微悬臂梁20’，其分别与基座10的一侧边连接，每一圆环型微悬臂梁20’的下面制作有针尖21’；
多个圆环型超声换能器30’，其分别制作在多个圆环型微悬臂梁20’的背面及或基座10的背面；
其中多个圆环型微悬臂梁20’和多个圆环型超声换能器30’组成探针阵列。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种集成超声换能器的AFM探针阵列，包括：
一基座，该基座为矩形；
多个微悬臂梁，其分别与基座的一侧边连接，每一微悬臂梁上制作有针尖；
多个超声换能器，其分别制作在多个微悬臂梁的背面及或基座的背面；
其中多个微悬臂梁和多个超声换能器组成探针阵列。
2.根据权利要求1所述的集成超声换能器的AFM探针阵列，其中探针阵列是采用MEMS微加工工艺在硅片上制作，探针阵列的形状为梳齿型或者圆环型。
3.根据权利要求2所述的集成超声换能器的AFM探针阵列，其中探针阵列的形状为圆环型时，最内侧的圆环为封闭圆环，其他每个圆环型均开有一开口，该开口位于基座的正前方，该圆环型的一半位于基座的背面。
4.根据权利要求3所述的集成超声换能器的AFM探针阵列，其中探针阵列上的针尖按照扫描阵列点的规律排列。
5.根据权利要求1所述的集成超声换能器的AFM探针阵列，其中超声换能器包括一上电极，及依次连接的一压电薄膜和一下电极，上、下电极的材料为金、铂金、铝或铜，压电薄膜的材料为AlN、PZT、LiNbO3或ZnO。
6.根据权利要求1所述的集成超声换能器的AFM探针阵列，其中基座的厚度为300-500um。
7.根据权利要求1所述的集成超声换能器的AFM探针阵列，其中微悬臂梁的厚度为1-10um，宽度为30-50um。
8.根据权利要求1所述的集成超声换能器的AFM探针阵列，其中超声换能器的厚度为3-300um。
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