孫鳳鳴，傅 星，朱振宇，高 賽，張 超

(1．天津大學(xué)精密測(cè)試技術(shù)及儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072;2．中航工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京100095;3．物理技術(shù)研究院，德國(guó)不倫瑞克38116)

MEMS靜電梳齒傳感器具有低功耗、高靈敏度，高線性度和大批量生產(chǎn)帶來(lái)的低成本等特點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于力傳感器[1－2]、位置傳感器[3－4]，驅(qū)動(dòng)器[5－6]，微加速度計(jì)[7－8]和微機(jī)械陀螺[9]、諧振器[10]等方面。

隨著大范圍掃描探針顯微鏡研究和應(yīng)用的需要，很多研究團(tuán)隊(duì)嘗試應(yīng)用MEMS結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)SPM性能的提高。其中，一種基于MEMS技術(shù)的靜電梳齒陣列被提出[11]。這種測(cè)頭具有較大的縱向測(cè)量范圍和較高的靈敏度，能夠改進(jìn)大范圍掃描探針顯微鏡的性能。

本文研究目的是利用靜電梳齒電容式MEMS傳感器，開(kāi)發(fā)能夠用于微/納米尺度的幾何量測(cè)量微掃描探針測(cè)頭。為此設(shè)計(jì)了電容信號(hào)的提取電路，構(gòu)建含有MEMS靜電梳齒傳感器，電容檢測(cè)電路和電控壓電陶瓷位移臺(tái)的測(cè)試系統(tǒng)。對(duì)該測(cè)頭的性能進(jìn)行了測(cè)試，并搭建小型SPM系統(tǒng)，對(duì)臺(tái)階高度為108 nm的光柵結(jié)構(gòu)進(jìn)行了掃描。

1 測(cè)量原理

MEMS靜電梳齒傳感器的示意圖如圖1所示。其中主梁連接彈性梁結(jié)構(gòu)和動(dòng)齒，定齒分為上下兩個(gè)部分(U+和U－連接的結(jié)構(gòu)，如圖1(b)所示)，與動(dòng)齒形成差分結(jié)構(gòu)以提高信號(hào)輸出的靈敏度。

圖1 MEMS微位移傳感器

連接在動(dòng)齒上的主梁頂端可以固定AFM探針來(lái)感知樣品表面形貌的變化。如圖2所示主梁的面內(nèi)位移帶來(lái)動(dòng)齒和定齒間相對(duì)位移的變化，繼而導(dǎo)致動(dòng)齒和定齒間的電容變化。齒間相對(duì)位移x帶來(lái)的電容變化為

其中 N 為梳齒對(duì)數(shù)，ε0=8．854×10－12Fm－1為介電常數(shù)，h為梳齒高度，d為梳齒間重疊部分的間距。

圖2 動(dòng)齒定齒重疊部分示意圖

檢測(cè)出電容的變化量反映了位移變化量。該測(cè)頭齒間相對(duì)位移可以達(dá)到10 μm，能夠很好的改善現(xiàn)有AFM測(cè)頭縱向行程小的缺點(diǎn)。

2 測(cè)量電路

對(duì)于該傳感器，位移量的變化可以通過(guò)檢測(cè)電容變化量得知。對(duì)于整個(gè)測(cè)頭來(lái)說(shuō)，梳齒間總電容變化量小于1 pF，電容檢測(cè)電路很大程度上決定了微位移傳感器的性能。本文采用交流激勵(lì)同步解調(diào)的方法[12－13]來(lái)檢測(cè)齒間電容的變化。

微位移測(cè)頭的電容為差分結(jié)構(gòu)。如圖3所示，對(duì)于該類差分電容結(jié)構(gòu)，需要提供兩路幅值相同，相位相反的交流激勵(lì)信號(hào)。交流激勵(lì)信號(hào)Vs幅值為10 V，頻率為100 kHz，由商用信號(hào)發(fā)生器提供。反相后信號(hào)為－Vs提供給另外一路。Vs和－Vs分別加載到MEMS測(cè)頭差分電容結(jié)構(gòu)的兩個(gè)梳齒對(duì)上。

圖3 電容測(cè)量電路

CX1、CX2為MEMS傳感器的差分電容，設(shè) CX1=C0+ΔC、CX2=C0－ΔC。將幅值和頻率相同，相位相差180°的兩個(gè)交流激勵(lì)信號(hào)Vs和－Vs加載到CX1、CX2的兩個(gè)極板，他們的公共端接運(yùn)算放大器的反相輸入端。CX1和CX2為需要檢測(cè)差分電容對(duì)中的一組梳齒對(duì)電容，Rf，Cf為反饋電阻和反饋電容。

Vs為交流激勵(lì)信號(hào) acos(ωt+δ)，VO為該梳齒在電容檢測(cè)電路中所對(duì)應(yīng)的電壓，與Vs的關(guān)系為

其中為交流激勵(lì)信號(hào)的角頻率，上式中Rf足夠大以使|jωCfRf|?1，然后將 CX1=C0+ΔC、CX2=C0－ΔC 代入上式可知

上述電壓輸出經(jīng)過(guò)相敏檢波和低通濾波器后，根據(jù)公式(1)，輸出電壓公式如下:

上式中除位移x外其余均為已知量或固定不變量。K為交流放大倍數(shù)，a為交流輸入激勵(lì)信號(hào)的幅值，θ為經(jīng)過(guò)相移器所產(chǎn)生的相移。由上式可知，系統(tǒng)輸出電壓與微位移測(cè)頭的位移變化量關(guān)系為線性。

3 測(cè)頭的性能測(cè)試及靈敏度標(biāo)定

為了驗(yàn)證測(cè)頭的測(cè)量性能，搭建測(cè)試系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行測(cè)試和標(biāo)定。建立測(cè)頭電壓輸出與測(cè)量表面位移之間的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的原理框圖如圖4所示。

圖4 測(cè)頭測(cè)試系統(tǒng)原理圖

在上圖中1為MEMS測(cè)頭，3為Z向壓電陶瓷位移臺(tái)，型號(hào)為NPS－Z－15A(Queensgate UK公司)，遲滯與非線性誤差小于0．01%，最大行程16 μm。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)計(jì)算機(jī)控制壓電位移臺(tái)的速度和步距，逐漸靠近測(cè)頭，模擬樣品表面的位移變化，改變測(cè)頭梳齒間相對(duì)位移。通過(guò)測(cè)頭可將位移變化轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)的輸出變化。

如圖5為測(cè)頭的進(jìn)針測(cè)試結(jié)果，實(shí)驗(yàn)中控制壓電位移臺(tái)逐漸靠近探針，在其與針尖接觸后繼續(xù)移動(dòng)的過(guò)程中，探針的主梁由于壓電位移臺(tái)的推動(dòng)而產(chǎn)生探針梳齒間電容的變化，進(jìn)而引起電壓的變化。以進(jìn)針數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)對(duì)測(cè)頭進(jìn)行標(biāo)定，選取接觸區(qū)域進(jìn)行線性擬合，所得結(jié)果如圖6所示，表征測(cè)頭的靈敏度為0．43 mV/nm。測(cè)頭非線性誤差為0．22%。

圖5 進(jìn)針測(cè)試結(jié)果

圖6 測(cè)頭的標(biāo)定

4 SPM系統(tǒng)搭建及掃描

利用該MEMS微位移傳感器做測(cè)頭，搭建了小型的SPM系統(tǒng)，進(jìn)行微納米尺度的表面形貌測(cè)量。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 小型SPM結(jié)構(gòu)圖

圖7中，進(jìn)針過(guò)程由粗動(dòng)機(jī)構(gòu)1－手動(dòng)位移臺(tái)和2－Z向壓電陶瓷位移臺(tái)NPS－Z－15A(Queensgate UK公司)組成。測(cè)頭如圖中3所示，4為所掃描的樣品，5為X向和Y向的二維壓電位移臺(tái)。該樣品為臺(tái)階高度為 108 nm，臺(tái)階寬度為 1．5 μm，間距為 1．5 μm的光柵結(jié)構(gòu)，型號(hào)為T(mén)GZ02(Ultrasharp公司)。

利用上述系統(tǒng)對(duì)此光柵結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描，掃描行程為8 μm，掃描步進(jìn)為10 nm，掃描結(jié)果如圖8所示。

圖8 光柵結(jié)構(gòu)掃描結(jié)果

取上圖中左數(shù)第2個(gè)臺(tái)階進(jìn)行計(jì)算，可知臺(tái)階頂部平均電壓與底部平均電壓的差值，又已知系統(tǒng)靈敏度為0．43 mV/nm，則可知實(shí)際測(cè)量的高度差。針對(duì)其中第2個(gè)臺(tái)階重復(fù)測(cè)量5次，結(jié)果如表1所示。

表1 108 nm臺(tái)階高度光柵測(cè)量結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于新型的MEMS電容式靜電微位移傳感器開(kāi)發(fā)了能用于微納米測(cè)量的微掃描探針測(cè)頭，測(cè)量范圍可達(dá)10 μm。搭建測(cè)試系統(tǒng)對(duì)該測(cè)頭進(jìn)行了性能的測(cè)試。實(shí)驗(yàn)表明，測(cè)頭的非線性誤差為0．22%，系統(tǒng)靈敏度為0．43 mV/nm。利用該測(cè)頭搭建SPM系統(tǒng)，對(duì)108 nm臺(tái)階高度的光柵結(jié)構(gòu)進(jìn)行了掃描。

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