照片来源：德克萨斯大学达拉斯分校（University of Texas at Dallas）
20世纪80年代，当IBM的Gerd Binnig首次听到由第一台扫描隧道显微镜（STM）的尖端拖曳穿过原子的表面的“美丽的噪声”，并随后开发原子力显微镜时，这些显微镜工具就成为了纳米技术研究和发展的基石。
AFM多年来一直在不断发展，IBM甚至希望用它们作为公司Millipede项目中的内存技术的基础。尽管有这些努力，AFM仍然是花费50000美元的笨重且昂贵的设备。
现在，德克萨斯大学（UT）达拉斯分校的研究人员通过开发使用微机电（MEMS）技术的AFM来改变这种模式。他们的研究结果证明整个AFM能被封装到大约一平方厘米的计算机芯片。
在《IEEE 微机电系统》（IEEE Journal of Microelectromechanical Systems）期刊描述的研究中，科学家将基于MEMS的AFM连接到包含电路、传感器和控制设备运动等其它所有小型化部件的小型印刷电路板上。
虽然看上去尺寸的缩小和MEMS器件的规模经济效应使得成本下降是AFM最大的特点，但实际上这些AFM的测量方式是他们真正的创新之处。 AFM通常通过记录在扫描样品表面时在悬臂式探针尖端上保持恒定力所需的垂直位移来绘制材料的表面。
由来自UT的科学家开发的装置不再依赖于恒定的力或距离，装置的尖端垂直于样品上下振动，接触并随后从表面抬起。在AFM中该模式被称为“轻敲模式”（Tapping mode）。这种技术与广泛使用的接触模式AFM形成鲜明对。UT的研究人员开发了一种新颖的方法来在AFM中实现轻敲模式：通过同时使用单个压电换能器进行驱动和感测，从而避免了使用光学传感器。
由于振荡的振幅会随着与样品相互作用而改变，所以该原子力显微镜通过保持振荡的振幅来产生图像。
“在轻敲模式下执行测量减少了施加到样品上的力，这对于扫描脆弱的样品（如生物样本）很重要。”UT Dallas机械工程教授、该项研究的共同作者Reza Moheimani在接受《IEEE 综览》（IEEE Spectrum）的邮件采访时说道。
在微机电系统原子力显微镜(MEMS AFM)的测试中，UT Dallas研究人员使用商用AFM的机制将样本引入AFM。使用步进电机将包含MEMS器件的印刷电路板移动到样品上。
“我们认为，系统的最终版本将使用类似的方法，用紧凑的机动化机制来使MEMS芯片与来自上方的样品接触。因为样品将必须以与当前AFM成像类似的方式制备，所以设备不需要放在真空中。在这个阶段，该设备还不能在液体环境中的成像。然而，MEMS AFM的未来产品可以考虑设计出这种能力。”Moheimani说。
MEMS AFM样机使用简单的MEMS工艺制造，其中所有机械扫描和感测部件包含在单个绝缘体上硅MEMS芯片中。
Moheimani说：“研究者们在设计器件以满足制造工艺要求的同时，在获得机械带宽、位移范围和交叉耦合方面的所需特性方面存在重大挑战。”
UT Dallas的研究人员必须采用迭代设计过程，其中对器件的早期制造版本的测试和表征允许他们更好地利用制造工艺的能力，并显着改善诸如交叉耦合降低和可靠性等领域的性能的信号路由。
Moheimani和他的同事们已经对MEMS AFM的下一个工程挑战有了自己的看法。例如，在使用电子束沉积的后处理步骤中制造在MEMS AFM的悬臂的端部处的尖锐探针。研究人员正在努力将探针的制造集成到MEMS制造过程中。这将简化装置的制造并提高其耐久性。
此外，研究人员正在寻求小型化支持电子和控制系统。他们正在尝试将MEMS芯片接口的专用集成电路（ASIC）与样机硬件相结合。这将使得通过单个USB连接与最终用户的PC连接成为可能。
Moheimani补充说：“我们的最终目标是开发一个可以使用单个MEMS芯片执行视频速率AFM成像的系统。当前设备成功地演示了所需的许多功能，并且设备的未来迭代产品将被设计为朝着这一目标进一步努力。这样的设备将使得人们能够使用便携且成本较低的系统来执行高速AFM成像。
翻译：马卉 校审：王舟
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