AFM自动换针技术丨富睿思APX的设计与实现

01 自动换针的意义

探针是原子力显微镜（AFM）使用过程中需要频繁更换的消耗性元件。这一方面是因为针尖多次使用后不可避免产生磨损或污染，当分辨力降至严重影响图像质量时，就必须更换探针；另一方面则是因为商用探针种类多样，不同用途的探针特性存在差异，AFM切换模式或者测试特定样品时，须选择合适的探针型号。

目前大多数实验室级AFM系统仍采用手动换针方式，用户通常须使用镊子将探针夹入特制探针架内固定，再将探针架安装至AFM测头上，之后还需进行一系列激光调节操作，过程相对繁琐耗时，对使用者亦有较高要求。近二十年来，半导体行业对AFM量测需求的持续增长推动了全自动Inline-AFM的成熟，自动换针作为此类设备的标志性技术之一，也逐渐为工业用户所了解。

和传统手动操作相比，自动换针系统可自动完成探针识别、取放、激光对准、悬臂调谐等操作，在此过程中无需人工干预。这一功能有助于降低AFM使用门槛，提升设备工作效率，同时也有助于降低因人工操作失误造成的探针损坏风险。

02 自动换针技术的难点和现有实现方案

尽管从字面上看，自动换针只是换针操作的自动化升级，但工程实现却并非易事。它既涉及机械结构的改动，也需要专门算法的开发。最基础的自动换针功能一般包括探针的取放和激光束的对准两个环节，每个环节均有一定技术难度。

（1）探针取放环节

在探针取放环节，系统须先将测头上的探针安全释放到探针仓内的空位上，再从仓内拾取指定编号探针并使之紧固于测头底部恰当位置。这一过程的难点在于探针尺寸微小且脆弱，须设计具备精准力控制和精密三维定位能力的专门取放机构，探针须可靠固定，避免不受控移位及掉针事故；在动作失效或探针损坏时，系统应能够自主判断异常并触发报警。

（2）激光束的对准环节

激光束的对准环节又分为入射激光与探针对准以及探针反射光与光电探测器对准两个步骤。第一步须使激光束准确聚焦于探针悬臂梁背面的指定区域，难点在于对激光焦斑和悬臂梁相对位置的判断以及微米精度的位移调节。激光和探针对准后，反射光可能偏离光电探测器导致系统无法工作，第二步对准即通过调节反射光路使反射光斑移至探测器靶心。上述精密电动调节装置的引入必然增加测头的复杂度，特别是对于三维扫描型测头，须在满足光路跟踪和自动调节要求的同时，严格限制扫描器载荷，这使测头光机结构设计极具挑战。

为方便取放探针，业内的常见做法是将探针预装在尺寸更大的专用铁片上，通过操作铁片实现探针的装载和释放。铁片在测头上的固定方式通常分为磁吸和负压吸附两种，前者成本相对经济，后者则在测量磁性样品时更为有利。目前主流的激光束对准方式是利用测头内置的精密电机调整光路中的反射镜角度，近年学术界也提出了一种免调节方案，基本思想是制作一个带有模拟测头光路的预装针平台，借此约束探针在铁片上的粘贴姿态，以确保铁片吸至测头底部固定位置时激光恰好对准。该方案降低了测头设计难度，但对加工装配精度提出了更高要求。

03 富睿思的自动换针方案

富睿思现有的大样品台机型均采用测头扫描架构，针对自研三维扫描测头的结构特点，富睿思开发了适用于旗下全系大样品台AFM产品的自动换针技术APX（Automatic Probe Exchange）。自2024年起，该技术作为AFM-Baritone、AFM-Tenor、AFM-Tuner等机台的标准配置，陆续交付多个工业客户并通过了较长时间的稳定性验证。

△富睿思大样品台AFM

富睿思的APX技术亦使用预装在铁片上的探针，测头和换针台均以磁吸方式固定铁片。用户可借助富睿思提供的专用工具方便地将装有探针的铁片放置于换针台内的针位上。富睿思的换针台安装在样品台一角，标配4个针位，可根据用户需要扩展至20个以上。

△富睿思APX专用预装型探针

APX的上针流程分为以下三个步骤：

（1）用户在软件界面上选择拟使用的探针编号，系统自动使测头定位于换针台内对应的针位上方，并使探针悬臂梁进入测头自带的同轴光学显微镜视场；

（2）软件启动机器视觉算法自动识别悬臂梁轮廓，确认探针完好后，测头及换针台上的电磁铁改变磁力，使铁片从换针台转移至测头底部；

（3）系统基于实时光学图像和光电探测器信号进行电机闭环位移调节，依次完成激光与悬臂梁的对准和反射光在光电探测器上的归零，扫频锁定谐振峰后提示上针成功。

△富睿思APX自动上针过程

上述上针步骤既可自动连续执行，也可在步骤之间停顿供用户检查确认。卸针操作则仅需在界面上点击卸针按钮，系统即连贯地将铁片卸载至原针位。为减弱上下针过程的机械冲击，富睿思特别开发了一种缓冲技术，能够显著降低悬臂梁损伤风险；为减少APX对测头动态性能的影响，富睿思还研制了一种轻量化的微调机构以控制扫描器的载荷。

目前APX可在数十秒内完成一轮完整的卸针和上针流程，一次成功率高于95%。未来富睿思还将丰富与APX相关的其他自动化功能，欢迎持续关注。

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关于富睿思仪器

富睿思仪器（FreeSpirit Instruments）创立于2021年，是一家专注于表面精密测量设备研发与生产的高科技创新企业。

基于自主研发技术，公司已推出多款具有核心知识产权的原子力显微镜（AFM）、白光轮廓仪（WLI）以及原子力显微镜-白光轮廓仪联用系统（AFM-WLI）等，并已成功交付国内头部高校、科研院所以及工业企业。

富睿思仪器致力于为前沿科研、半导体及新型显示等领域，提供稳定、可靠的国产精密量测解决方案。

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