李暄妍，张富强，陈晓梅，高超2，

(1.北京信息科技大学 理学院，北京100192；2.中国科学院大学，北京100094；3.中国科学院微电子研究所，北京100029)

0 引言

原子力显微镜(atomic force microscope,AFM)于1986年由诺贝尔物理学奖获得者Binning和斯坦福大学的Quate及Gerber等人合作发明,具有亚纳米量级的垂直分辨力,在空气或液体环境中可以对样本进行测试,弥补了其它扫描探针显微镜的不足之处,是目前研究纳米材料、微器件、半导体器件和生物材料等表面测量分析的重要工具之一,在医学、工业界和科研领域都有广泛的应用[1-3]。

原子力显微镜有多种原理和工作模式,1995年,德国KARRAI和GROBER使用音叉驱动光纤控制光纤尖与物体表面间距,验证了音叉具有很高的品质因数Q和高灵敏度[4]。本文在对音叉式原子力显微镜工作原理进行分析的基础上,设计一种基于锁相环的音叉式原子力显微镜测头电路,并进行试验测试。

1 石英音叉特性及其驱动电路分析

原子力显微镜的工作原理如图1所示。当探针在被测物表面移动产生距离变化时,探针与被测物体表面原子间存在的范德华力等作用力,会使悬臂梁发生变形,通过检测悬臂梁形变可获得作用力分布信息,利用距离与力的关系即可计算得出被测物表面几何形貌信息。

由于石英音叉具有谐振频率稳定、品质因素高等优点,可利用石英音叉做为悬臂梁探针研制音叉式原子力显微镜。石英音叉属于压电器件,当一定频率的交流电信号通过两个电极直接加到两音叉臂时,两臂以相反方相在平面内以同样的频率机械振动,两音叉臂周期性的相互接近和离开[5],石英音叉工作模式如图2所示。……