以雕刻機模擬改造掃描探針顯微鏡的實作設計

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以雕刻機模擬改造掃描探針顯微鏡的實作設計

張森昊彭鈞彥郭昇珉曲宏宇* 國立中正大學物理學系

phyhyc@ccu.edu.tw

（投稿日期：109 年 08 月 03 日，接受日期：109 年 12 月 10 日）

摘要：我們使用雕刻機加以改造成掃描探針顯微鏡來觀測一般肉眼難以辨別的微小物體表面輪廓。利用步進馬達微小前進的特點與我們自製的懸臂來輕點我們想要測量的物品，因觸碰到了物品，導致從懸臂上反光鏡反射的紅光雷射有些許偏折，雷射經過反光鏡送入四象限光電二極體再經由放大訊號來作圖。在本次報告中我們量測了十元硬幣上的圖案輪廓，五十元硬幣上的防偽圖案以及黑膠唱片上

軌道的輪廓溝槽，目前最佳解析度可達到1 μm 的空間解析度。

關鍵詞：掃描探針顯微鏡、黑膠唱片輪廓、五十元硬幣防偽線

壹、前言

1981 年，第一台掃描探針顯微鏡被發明出來，其中掃描隧道顯微鏡(STM)就是第一個被發明出來的類型，除此之外，也有使用不同探針與樣品的之間的相互作用而發展出來的掃描探針顯微鏡，例如原子力顯微鏡(AFM)、靜電力顯微鏡(EFM)、磁力顯微鏡(MFM)等，其發明目的是為了突破光學限制，達到原子級的空間解析度[1][2]。我們運用雕刻機細小的微步特性來自製了一台掃描探針顯微鏡讓我們可以窺探並測量微小的世界。

貳、原理

掃描探針顯微鏡(簡稱SPM，scanning probe microscopy)[3]其原理是，由於待測樣品表面高低起伏，下探到接觸樣品時，懸臂產生形變，鏡面也隨之起伏，雷射反射至四象限光二極體的電壓訊號改變，同時記錄下Z軸高度，再轉換為3D影像。儀器本體如圖1所示。

10.6212/CPE.202012_21(2).0001

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張森昊彭鈞彥郭昇珉曲宏宇

參、實驗裝置

圖 1 : SPM 本體

一、訊號接收

首先我們需要一個接收光斑訊號的四象限光電感測器(Photodiode)，見圖 2，接收到訊號後經由四顆運算放大器(Operational Amplifier)增強量測訊號，圖 3 及圖 4 表示了電路圖及電路實體圖，再經由 Arduino 讀取類比電壓並傳入電腦，再藉由 MATLAB 儲存成矩陣形式資料。

圖 2 : 四象限光二極體

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文文理章章

圖 3 :電路圖圖 4 : 電路實體圖

二、懸臂與探針

用來反射和測量的懸臂也是相當的重要，我們在一代一代的更新設計與替換下測量的物體越來越小，需要的解析度也越來越高。圖5為第一代懸臂的反射鏡及探針，是利用塑鋼土將細長的縫衣針以及鐵尺固定起來，用鍍銅的蓋玻片當作我們的反射面。圖6為第二代懸臂的探針，原子筆的頭尖固定在鐵尺上，讓探針的針尖減少到0.3 mm，並利用圓珠筆頭的特性，增加順利移動，圖7為第二代懸臂的反射鏡，為鍍鋁的鏡片，反射率較鍍銅的鏡片高。圖8為第三代懸臂的探針，使用鎢絲電解溶斷的探針和3D列印的懸臂固定起來，其中，由於懸臂是3D 列印而得，因此可以控制其厚度，得到不同敏感度的懸臂，比起之前的探針來說，針尖變得更細，以針尖來說大約為5 μm-10 μm，圖9為第三代懸臂的反射鏡，輕量化的懸臂無法支撐厚鋁鏡的重量，因此改用鍍上鋁的蓋玻片來取代，反應也更加靈敏。

圖 5 : 第一代懸臂探針圖 6 : 第二代懸臂探針圖 7 : 第二代懸臂反光鏡

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圖 8 : 第三代懸臂的探針圖 9 : 第三代懸臂的反射鏡

三、馬達與控制裝置

圖 10 : 雕刻機背板，上方有三顆 A4988

利用 Arduino nano 做為控制端，使用三顆 A4988 藉此控制三軸的步進馬達，見圖 10，使樣品台與懸臂到達指定位置。在掃描硬幣時，由於精度要求不高，因此步進馬達關閉微步；

相較之下，掃描黑膠唱片要求精度較高，因此步進馬達需開啟微步。雕刻機所使用的螺桿螺距為 2mm，步進馬達為 1.8 精度馬達。表 1 列出步進馬達微步最小精度。

表 1 : 步進馬達微步最小精度

關閉微步開啟微步

ΔX (mm) 0.01 0.00125 (1/8 微步) ΔY (mm) 0.01 0.00125 (1/8 微步) ΔZ (mm) 0.01 0.000625 (1/16 微步)

5mm

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四、STM 探針製作

掃描穿隧顯微鏡(STM)探針製作為一電解過程，圖 11 為探針製作示意圖，以欲作為針的鎢絲當陽極，碳棒當陰極，氫氧化鈉為電解液，隨著鎢氧化變成鎢離子，針尖漸漸形成。由於氧化反應在接近液面處最為劇烈，當鎢絲越來越細，無法再承受液面下半段重量負荷時，

鎢絲會在液面處發生斷裂，形成利用重力拉出針尖的形狀。圖 12 顯示光學顯微鏡下觀測到的探針針尖。

圖 11 : 探針製作示意圖圖 12 : 光學顯微鏡下的探針

肆、程式邏輯

圖 13 : 程式設計邏輯塑膠軟管

截斷處

NaOH

碳棒

0.1 mm

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我們以圖 13 列出程式設計的邏輯，操作上先讓探針下降到適合的位置。停留一小段時間讓懸臂穩定，讀取四象限光二極體電壓，並記錄成門檻值。當四象限的讀值沒有超過門檻時，Z 軸馬達會持續下降，直到超過門檻為止，並記錄 Z 軸下降的步數。接下來，從記錄點往上拉一個固定的高度，並前往下一個點。這裡測量的路徑是 S 型的路徑。偶數列由右往左，

奇數列由左往右，並由上而下進行量測。記錄下來的 Z 軸步數值將由 MATLAB 收集成一個二維矩陣。將步數轉換為真實尺寸大小，並繪製出 2D 及 3D 的影像。

伍、實驗結果

一、硬幣

圖 14 : 5 元硬幣人像圖 15 : 10 元紀念幣

圖 16 : 10 元硬幣人像

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文文理章章表 2 : 掃描硬幣表面數據

探針精度(ΔX) (mm)

精度(ΔY) (mm)

精度(ΔZ)

(mm) 點數尺寸

(mm²)

時間 (Hour) 圖14 0.3mm 筆芯 0.03 0.03 0.01 160000 12X12 7.5 圖15 STM 針 0.03 0.03 0.01 360000 18X18 20 圖16 0.3mm 筆芯 0.04 0.04 0.01 135000 12X18 4.5

圖 14 和圖 16 為 5 元硬幣和 10 元硬幣上的人像，由第二代探針所掃出，精度比使用第一代探針高，因此圖片相當清晰。圖 15 為 10 元紀念幣，為第三代懸臂所掃出，由於探針針尖更小，所以圖案更清楚。其中，可以由三枚硬幣的右上角國字比較出，圖 15 的字體最為清晰俐落。表 2 列出以上圖案掃描所需時間及尺寸。

圖 17 : 50 元硬幣側左圖 18 : 50 元硬幣側右

表 3 : 掃描硬幣防偽設計數據

精度(ΔY) (mm)

精度(ΔZ)

(mm) 點數尺寸

(mm²)

時間 (Hour) 圖 17 STM 針 0.02 0.02 0.01 202500 9X9 10.5 圖 18 STM 針 0.02 0.02 0.01 183750 7X10.5 9.4

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圖 17 和圖 18 為 50 元硬幣的防偽設計，利用光柵的原理，使得硬幣往左側傾斜可以看 到數字 “50” 的字樣，往右側傾斜可以看到國字 “五十” 的字樣。可以從中得知，它是將兩 個不同的字樣一條條分割，並間隔排列。這兩張圖是由第三代探針所掃出，微米等級的探針和敏感的懸臂，能夠負荷更高精度的掃描。表 3 列出以上圖案掃描所需時間及尺寸。

二、黑膠唱片

早期的黑膠唱片(即 SP，Standard Playing)，每一面只能錄製一首長約 3 分鐘的歌。後來出現了轉速較慢、面積較大的 33 又三分一轉密紋唱片（即 LP，Long Play），每面大約可以錄製 6 首歌左右。其中 SP 和 LP 最大的不同是盤面上的細紋角度從原本的 150 度減少到後來的 90 度。圖 19 為LP 唱片的聲槽示意圖，圖 20 顯示了在光學顯微鏡下觀察到的黑膠唱片表面圖案。

圖19 : LP 唱片 90 度聲槽示意圖圖 20 : 光學顯微鏡下的黑膠唱片

圖22 是黑膠唱片的 LP 形式聲槽，角度為 90 度，在資料上 d 的範圍在 40 μm-80 μm 之間，所以H 的範圍在 20 μm-40 μm 之間。

圖 21 : 掃描黑膠唱片 2D 圖圖 22 : 掃描黑膠唱片 3D 圖

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文文理章章表 4 : 掃描黑膠唱片數據

精度(ΔY) (mm)

精度(ΔZ)

(mm) 點數尺寸

(mm²)

時間 (Hour) 圖21 STM 針 0.00125 0.00125 0.000625 160000 0.5X0.5 9.5

圖 21 和圖 22 分別為 LP 黑膠唱片的 2D 圖和 3D 圖，由 STM 的針作為探針，並以 3D 列印的懸臂，步進馬達開啟微步所掃出。表 4 列出以上圖案掃描所需時間及尺寸。

陸、數據處理

由於掃描黑膠唱片時，所要求得精度非常高，因此我們使用了相當敏感的懸臂，以至於有許多外因使得數據有些微的震盪，因此我們要將其作濾波，濾除高頻震盪的部分。

圖23 : 黑膠唱片 2D 原圖

圖24 : 濾波前 2D FFT

圖27 : 黑膠唱片 2D 濾波後

圖29 : 黑膠 1D 濾波後圖25 : 高斯濾波器

圖28 : 黑膠 1D 原圖

圖26 : 濾波後 2D FFT

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圖 23 為 2D 原圖，先對原圖做 fft，再 fftshift 到中間得到圖 24，再使用高斯濾波器圖 25 對其做低通濾波，得到圖 26，最後再 ifft 反解回圖 27 達成濾波，圖 28 和圖 29 分別為濾波前後的 1D 圖，從圖中可看出，LP 的黑膠唱片的溝為 90 度，深度為 0.02mm。

柒、結論

我們針對兩種樣品進行掃描，分別是硬幣和黑膠唱片，其中硬幣人像的部分，精度要求較低，我們一開始製作了第一代探針，但是礙於縫衣針的粗細，掃出的圖較模糊，因此我們改用第二代的懸臂就可以掃出清楚的人像。相較於人像，防偽設計的光柵設計相當狹窄，其光柵之間距離只有 0.2 mm，因此我們需要改良第二代探針，使用了第三代的探針，最後也因此掃出防偽設計的兩種字體樣式。最後我們所掃出的黑膠唱片是所需精度最高的樣品，狹縫寬度為40 μm，高度為 20 μm，其狹縫確實符合 LP 的黑膠唱片，角度為 90 度。我們所自製的掃描探針顯微鏡包括雕刻機本體加上四象限光電二極體等零件組成，就結果而言，我們可以測到狹縫寬僅有幾十微米的寬度，以及 1μm 的空間解析度，顯示達到相當不錯的結果。

致謝

我們感謝門福國老師教導如何製作 STM 探針技術。

參考文獻

1. B.Nysten, J.-C. Roux, S. Flandrois, C. Daulan, and H. Saadaoui (1993): AFM and STM studies of the carbonization and graphitization of polyimide films. Physical Review B, 48, 12527.

2. Ádám Mechler, Judit Kopniczky, János Kokavecz, Anders Hoel, Claes-Göran Granqvist, and Peter Heszler (2005): Anomalies in nanostructure size measurements by AFM. Physical Review B, 72, 125407.

3. Srinivasa M. Salapaka and Murti V. Salapaka (2005): Scanning Probe Microscopy. IEEE Control Systems Magazine, 28, 65.

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文文理章章

A Home-made Scanning Probe Microscope

Sen-Hao Chang, Jun-Yan Peng, Sheng-Min Kuo and Hong-Yu Chu*

Department of Physics, National Chung Cheng University, Chiayi, Taiwan phyhyc@ccu.edu.tw

Abstract

A home-made scanning probe microscope is remodified by using a commercial desktop milling machine. An arduino-based controlled microstepping system with a handmade cantilever, a quadrupole photodiode, laser pointer and OP amplifiers shows that the spatial resolution of the example surface can be improved to 1 um. In this report the 2D surface profiles of coins and vinyl records are measured by our scanning probe microscope.

Key words

:

scanning probe microscope, Arduino, surface profile measurement.

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