原子力显微镜（AFM）能够获取材料表面的三维形貌、粗糙度、台阶高度等纳米尺度信息，是材料科学、纳米技术及半导体研究中的重要表征工具。
但传统 AFM 在获得高分辨率数据的同时，也对操作提出了较高要求。探针安装、激光对准、探针逼近、扫描区域定位等步骤需要一定经验，也增加了从样品上机到获得有效数据的时间。
加拿大 ICSPI 选择了一条不同的技术路线：利用 MEMS 技术，将 AFM 的扫描与传感功能集成到芯片中。
基于这一 AFM-on-a-chip（芯片化原子力显微镜） 技术，ICSPI 推出了自动化台式原子力显微镜 Redux AFM，并进一步探索多探针并行测量，希望让 AFM 从传统的单点纳米表征走向更自动化、更高通量的分析模式。
01.AFM-on-a-chip重新设计 AFM 的核心架构
传统 AFM 通常由微型探针、激光检测系统和压电扫描器等组成，而 ICSPI 将部分核心功能直接集成到了 MEMS 芯片中。
每枚 MEMS AFM 芯片能够实现高精度 XYZ 三轴运动，同时集成纳米尺度测量及自动逼近所需的传感结构。由于不再依赖传统的激光检测方式，Redux AFM 省去了激光对准环节；AFM 探针则集成在便于操作的 PCB 载板上，使探针安装和更换更加直接。
这种变化的意义并不仅仅是把 AFM“做小”。
当扫描、传感和逼近功能被集成到一个微型 MEMS 器件中，AFM 的整体架构和操作流程也随之改变，为进一步自动化提供了基础。
02.Redux AFM 从找到样品到获得纳米数据
Redux AFM 将 AFM-on-a-chip 与电动 XYZ 样品台、光学显微镜集成在一套紧凑的台式系统中。
实际测量时，用户首先通过光学显微镜观察样品并找到感兴趣区域（ROI），随后利用电动样品台将目标位置移动至 AFM 扫描区域。系统通过芯片内置传感器完成自动逼近，随后即可进行 AFM 扫描。
整个过程可以概括为：
光学定位 → 选择 ROI → 自动逼近 → AFM 扫描 → 数据分析
通过这一工作流程，AFM 可以获取表面三维形貌，并进一步定量分析表面粗糙度、台阶高度、颗粒尺寸及分布等信息；结合相位成像，还可以观察样品不同区域之间的材料差异。
对于需要测试多个位置或大量样品的实验室而言，更简洁的操作流程也意味着可以将更多时间用于数据获取和分析本身。
03.MEMS 架构的价值不只是操作简单
芯片化设计带来的另一个重要变化来自 MEMS 本身。
根据 ICSPI 的介绍，相较于传统基于光学检测和压电扫描器的 AFM 架构，其 MEMS 技术具有较低漂移、较好的抗振能力，同时可以避免传统压电扫描器中常见的迟滞（Hysteresis）和蠕变（Creep）问题。
对于纳米尺度测量而言，这些特性直接关系到数据的稳定性和定量分析能力。
更重要的是，MEMS 器件可以通过成熟的微纳加工工艺制造，其尺寸远小于传统 AFM 的机械扫描结构。这不仅有利于仪器的小型化，也为 AFM 的进一步集成提供了新的可能。
而这恰恰引出了 AFM-on-a-chip 更值得关注的发展方向——并行测量。
04.从一个探针到多个探针：Parallel AFM
传统 AFM 通常采用单探针逐区域扫描。如果需要分析样品上的多个位置，就需要移动样品并重复测量。
ICSPI 的 MEMS AFM 单元面积约为 1 mm²。如此小的尺寸意味着，在有限空间内可以布置多个独立 AFM 单元，并让它们同时进行测量。
基于这一思路，ICSPI 已经开展多点 AFM 阵列研究，使多个具备三轴运动和纳米尺度测量能力的 MEMS AFM 单元同时工作。
这就是 Parallel AFM——并行原子力显微镜。
它改变的并不是单个探针的扫描速度，而是通过增加同时工作的探针数量来提高整体测量吞吐量。
对于传统 AFM 而言：
1 个探针 → 1 个区域 → 逐点扫描
而并行 AFM 的目标则是：
多个探针 → 多个区域 → 同时扫描
当 AFM 从“单探针扫描”进一步发展到“多探针并行测量”，其应用场景也可能随之扩展。
05.面向半导体：从纳米表征走向高通量计量
随着半导体器件特征尺寸不断缩小，晶圆制造需要在越来越小的尺度上完成形貌、尺寸和缺陷检测。
但高分辨率与高吞吐量往往存在矛盾：检测尺度越小、采样位置越多，测量所需时间通常也越长。
Parallel AFM 提供了另一种解决思路。
如果能够在晶圆表面同时部署多个 MEMS AFM 单元，就有可能同步获取多个区域的纳米尺度信息，在保持 AFM 空间分辨能力的同时，提高整体检测效率和晶圆采样密度。
更多采样点意味着能够获得更完整的晶圆表面数据，为发现局部工艺异常、监控制造过程以及提高良率提供更充分的信息。
因此，AFM-on-a-chip 的长期意义可能不仅在于打造一台更紧凑、更易操作的 AFM。
芯片化让 AFM 获得了进一步阵列化的可能，而阵列化则为高通量纳米计量打开了新的技术路径。
从 Redux AFM 的自动化单探针测量，到未来多个 MEMS AFM 单元组成的并行测量阵列，ICSPI 正在探索一种不同于传统 AFM 的发展方向：
让纳米尺度测量从“一个探针一次扫描一个区域”，逐步走向自动化、并行化与高通量。
