一种基于静电控制扭摆的导体表面电势测量仪

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。

说明书

技术领域

本发明属于精密测量领域，更具体地，涉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

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以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，电磁参量以及表面形 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以及后 期表面处理工艺中对相应的特征差异进行控制。

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以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。这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，且使用这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。

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。

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，以及科学方式的不断进步。 这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。而且这类测量仪器的结构也比较复杂，搭建成本较高，且悬臂梁的 热噪声也限制了这类仪器的测试精度，目前Kelvin探针测量表面电势的精 度仅在1mV/Hz^1/2。

扭秤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 了扭秤，并应用扭秤第一次在实验室测量了牛顿万有引力常数G。如今， 扭秤被越来越多地应用到引力实验以及其他弱力检测中，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，以及传 感器各种残余绕动力检测等等。

传统的扭秤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 秤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

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。

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。

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；可以保证整个测量仪器的分辨率较高。

其中，角度传感器可以为光学传感器或电容传感器。

其中，所述反馈执行机可以为静电执行机或磁反馈执行机。

其中，样品表面待测位置处的电势值V_TM与反馈控制电压V_f满足以下 关系：其中H_a为闭环控制系统中静电执行机的灵敏 度系数，C_p为探针与样品之间的电容，d_p为探针端面与样品表面的间距，l_p为探针中心到悬丝的距离，V_s为在探针上加载电势。

在Kelvin探针系统中受限于悬臂梁的灵敏度，所以电势分辨率偏低。 因此在本发明中我们选用灵敏度更高的扭秤系统来响应待测的静电力，从 而提高系统的探测分辨率。本发明的优点主要体现在：(1)利用扭摆系统 来响应弱力变化，比之传统的探针手段具有更高的灵敏度，更高的探测水 平。(2)将反馈控制扭摆技术和微位移平移系统相结合，可以实现样品表 面多维的扫描测量。(3)该装置可以提供一个普适的平台来测量和研究不 同的样品，且更换待测样品时不需要对装置结构进行修改和重组。

附图说明

图1是现有技术提供的基于原子力显微镜的Kelvin探针系统工作原理 图；

图2是本发明实施例提供的静电反馈控制扭摆弱力扫描显微镜的原理 示意图。

图中1是悬丝，2为探针支架，3为扫描探针，4为待测样品，5为多 自由度微位移平移台，6是角度传感器(可以为光学传感器或者电容传感 器)，7为控制系统，8为反馈执行机(静电执行机或者磁反馈执行机)。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图 及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体 实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供的静电反馈控制的扭摆弱力扫描探测装置(如图2所示)。 该装置与传统扭秤装置的不同点在于，我们用扭丝悬挂的将不再是待测的 检验质量，而是用扭秤系统悬挂探针装置，并通过高精度位移传感器来检 测探针装置的偏转运动，然后通过相应的控制算法和反馈控制执行机，将 检验质量控制在其平衡位置，利用反馈控制力矩来衡量探针装置所受到的 外力矩大小。整个装置系统中，样品置于多自由度的微位移平移装置上， 驱动该装置可以使所述待测样品相对于探针移动，从而得到在样品表面的 不同位置与探针装置之间相互作用的变化，最终给出相关待测参数以及分 布情况。

本发明中利用高精度扭摆系统来代替微悬臂梁来作为弱力检测，具有 更高的灵敏度以及更低的机械热噪声，结合微位移平移系统能够有效地提 高对样品表面待测参量测量的精度和空间分辨率。由于样品是单独安装于 微位移平台上，使得在实验中可以很方便地更换样品，对样品设置不同的 输入条件进行测量。这对于测量样品的各种表面效应以及研究各种效应的 物理机理有着重要的意义。

本发明可以应用于高精度的弱力测量研究，对于研究样品表面电荷分 布，电磁参量，表面形貌，机械参量等具有重要应用前景。

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，该仪器可以用来测量样品与探头之间的微弱相互作用，能够实现对宏 观尺度的样品表面进行扫描测量。该装置可以用来研究样品表面的电荷分 布、电磁参量以及形貌特征等表面特性。

基于静电控制扭摆的导体表面电势测量仪，如图2所示，探针支架为 一“工”字型的结构；悬丝1悬挂该“工”字型的结构构成扭摆，为了使 得扭摆与待测样品之间的静电相互作用效应最大，我们将扫描探针3安装 于“工”字型扭摆的端面(四端的端面的任意一端)。待测样品4安装在多 自由度微位移平移台5上，让样品的待测表面正对平行于探针端面，为了 保证整个测量仪器的分辨率，样品待测表面与探针端面的间距通常为几十 个微米到几个毫米(实际间距应根据不同的科学目标来进行优化选定)；6 为角度传感器，用以测量扭摆在扭转自由度方向上的运动，将扭摆的角位 移信息转化为电压信号，通过PID运算环节7得到反馈控制电压，并将其 加载到电容极板8上使之产生与输入力矩相等的经典反馈力矩，使扭摆被 控制在其平衡位置。当扫描探针3与待测样品4之间存在相互作用时，角 度传感器6会将检测到的扭摆的扭转信息传给控制系统7。控制系统7根据 PID控制算法依据角度信息得到反馈控制电压并传给反馈执行机8，以产生 一个与外力矩等大的反馈控制力矩并施加给探针支架2，目的是为了使得探 针支架2保持相对静止。驱动微位移平移台5可以使所述待测样品相对于 探针移动从而实现对样品表面不同区域的扫描测量。具体研究中我们可以 很方便地更换安置于多自由度微位移平移台5上的样品，针对不同的输入 条件进行测量和研究。

令待测样品4的表面电势为V_TM，在探针上加载电势V_s，此时探针与 待测样品4之间由于静电相互作用而产生的静电力矩式中C_p为探针与样品之间的电容，d_p为探针端面与样品表面的间距， l_p为探针中心到悬丝的距离(静电力矩的力臂)。在测量过程中扭摆装置在 反馈静电力矩τ_f的作用下处于相对静止状态，根据力矩平衡关系可得 ${\tau }_f=H_a{V}_f={\tau }_p=-\frac{1}{2}\frac{C_p{l}_p}{d_p}{(V_s-V_{\mathrm{TM}})}^2---\left(2\right);$上式中V_f为反馈控制电压(可通过数 据采集系统记录)，H_a为闭环控制系统中静电执行机的灵敏度系数(可通过 实验进行标定得到)。根据式(2)可知，在已知探针的精确尺寸以及探针 与样品的几何关系的情况下，通过记录的反馈控制电压便可得到样品表面 待测位置处的电势值。然后通过驱动移动微位移平移台改变探针与待测样 品之间的相对位置(沿图2中虚线箭头方向)，便可测得样品表面不同位置 处的表面电势值，从而获悉样品表面的电势分布情况。

本发明提供的导体表面电势测量仪相比于原子力显微镜而言，具有本 发明采用了高灵敏的扭成系统具有更高的电势测量分辨率，本发明结合了 微位移平移系统具有更大的扫描测量范围，能够满足更高精度的弱力扫描 测量需求。对于反馈控制的扭秤系统，其力矩探测水平可以达到 10^-14Nm/Hz^1/2。若将秤杆的长度设计为10cm该装置对力的探测水平可以达 到2×10^-13Nm/Hz^1/2，比基于原子力显微镜平台的Kelvin探针方案的检测精 度高了1个数量级。

系统搭建过程中我们可以设计不同尺寸的探针来改变探针的测量面积 以满足不同的科学目标。对于扫描研究大尺度的实际检验质量的表面特征， 在实验中还可以在相对于悬丝对称的位置处加入与样品等质量的物体来补 偿扫描测量过程中探针与样品之间的引力变化由于该装置中待测样品是安 置于探针系统旁边的微位移平移台上的，因此，我们可以很方便地更换样 品，设定不同的输入条件通过一系列实验来研究样品表面特征的深层物理 机理。

本发明的优点主要体现在：(1)利用扭摆系统来响应弱力变化，比之 传统的探针手段具有更高的灵敏度，更高的探测水平。(2)将反馈控制扭 摆技术和微位移平移系统相结合，可以实现样品表面多维的扫描测量。(3) 该装置可以提供一个普适的平台来测量和研究不同的样品，且更换待测样 品时不需要对装置结构进行修改和重组。该装置扫描测量的空间分辨率预 计达到nm量级，弱力测量精度达到10^-13Nm/Hz^1/2，实现了高精度和高空间 分辨率的弱力扫描测量。

基于静电控制扭摆的导体表面电势测量仪，如图2所示，悬丝1悬挂 探针支架2构成扭摆，扫描探针3安装于扭摆的一端。待测样品4安装在 多自由度微位移平移台5上，放置于探针旁。6为角度传感器，当扫描探针 3与待测样品4之间存在相互作用时，角度传感器会将检测到的扭摆的扭转 信息传给控制系统7。控制系统7根据相应的控制算法依据角度信息得到相 应的结果并传给反馈执行机8，以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2，目的是为了使得探针支架2保持相对静止。驱动微位移 平移台5可以使所述待测样品相对于探针移动从而实现对样品表面不同区 域的扫描测量。具体研究中我们可以很方便地更换安置于多自由度微位移 平移台5上的样品，针对不同的输入条件进行测量和研究。

若选取端面为5mm×5mm的探针，且探针与待测样品之间的间距设定 为50μm,秤杆长度取10cm，选取测量精度为6×10^-6pF/Hz^1/2电容位移传感 电路，选取角度测量精度为10^-8rad的测量仪器，导体表面电势的测量精度 可以达到10μV/Hz^1/2。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等 同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。