CN101029862B

CN101029862B - 基于原子力显微镜的声成像用弱信号检测器

Info

Publication number: CN101029862B
Application number: CN2007100381997A
Authority: CN
Inventors: 殷庆瑞; 惠森兴
Original assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Priority date: 2007-03-19
Filing date: 2007-03-19
Publication date: 2010-10-20
Anticipated expiration: 2027-03-19
Also published as: CN101029862A

Abstract

本发明涉及一种基于原子力显微镜的声成像用弱信号检测器，用于原子力显微镜的声成像系统，属于信号检测仪器领域。本发明包括信号通道部分(1)、同步检测部分(2)、输出通道部分(3)、参考信号通道部分(4)，其特征在于被测信号先输入至信号通道部分进行放大、滤波处理，其后输出至同步检测部分，同步检测部分接受由参考信号通道部分产生的与输入信号同步的方波信号控制进行同步检测处理，将不同相的噪声滤除，再输出至输出通道部分进行平滑、校正处理，其输出信号作为声成像信号供系统使用。本发明强化了信号的处理能力，提高了检测信噪比，减缩了宽泛不常用的功能，简化了线路结构，降低了制作成本解决了应用原子力显微镜进行声成像中弱信号检测这一关键技术问题，同时也可用于其它弱信号检测场合。

Description

基于原子力显微镜的声成像用弱信号检测器

技术领域

本发明涉及一种基于原子力显微镜的声成像用弱信号检测器，用于原子力显微镜的声成像系统，属于信号检测仪器领域。

背景技术

随着当前纳米科技的迅猛发展，在许多高新技术领域具有重要应用价值的材料及其器件正朝着纳米尺度方向日趋高度微型化和集成化。在纳米尺度上材料及器件的性质和行为不仅与其表面的结构有关，而且更与它们的亚表面结构和性能息息相关。为此，在商用原子力显微镜基础上发展声成像技术，以解决在试样原位进行表面与亚表面成像的难题，从而推动纳米材料与器件的发展，这是当前开展纳米科技领域的一个热点。弱信号检测是其中关键的技术问题之一。

在应用原子力显微镜进行声成像的工作过程中，声信号的幅度是极其微弱的，经换能器转换成电信号之后，其幅度仅达微伏数量级。而环境噪声的幅度要远高于有用信号，信号完全被噪声所淹没。如采用常规的放大器，显然是无法工作的，因为，它将信号与噪声同时放大。因此无法实现在原子力显微镜上进行声成像。如何在干扰背景上检测出有用信号是在原子力显微镜上实现声学成像模式的关键，为解决上述问题，我们提出了一种基于原子力显微镜的声成像用弱信号检测器，目前国内外尚无这方面的报导。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有高灵敏度、低噪声、抗干扰能力强、工作频率宽、动态响应快、结构紧凑、成本低廉的弱信号检测器。本发明不仅是构成原子力显微镜声成像系统的核心部件，用于显微成像工作，而且也适用于其他领域的弱信号检测。

本发明提供的检测器的原理结构如图1所示，由四部分组成：

1为信号通道部分；2为同步检测部分；3为输出通道部分；4为参考信号通道部分。

被测信号先输入至信号通道部分进行放大、滤波处理，其后输出至同步检测部分。同步检测部分接受由参考信号通道部分产生的与输入信号同步的方波信号控制进行同步检测处理，将不同相的噪声滤除，再输出至输出通道部分进行平滑、校正处理，其输出信号作为声成像信号供系统使用。

1、信号通道部分，信号通道部分包括前置放大电路11，模式设置电路12，二级放大电路13，反馈网络电路14；有源带通滤波电路15五单元电路，其工作原理框图如图2所示。该部分电路的功能包括：电路的输入阻抗与信号源的阻抗相匹配；放大输入信号；滤除噪声。

前置放大电路与被测信号直接相连，输出的信号传给二级放大电路，并进一步传入有源带通滤波电路。为尽可能降低电路自身噪声，能在一定程度满足不同类型的测试信号，因此选用具有高输入阻抗、低噪声、高速响应、高共模抑制比的电子元件组成单元电路。

模式设置电路与前置放大器电路连接，控制信号输入模式。通常改变信号输入模式的方法是在仪器面板上设置多个选择开关的方法，而本发明中前置放大器可采用在印板上安装跳线的方式，改变信号的输入模式，而摒弃在仪器面板上设置多个选择开关的方法，来减小噪声的引入。本发明的前置放大电路的输入阻抗可大于10⁶Ω。同时加入强信号衰减电路，避免强干扰信号造成电路饱和，影响整机的工作。

二级放大与反馈网络单元电路在信号通道部分中起主放大作用。性能要求增益高达10³，电路工作稳定，线性好。选用高增益、性能稳定的线性放大集成电路器件，仅设置一个电阻，选取不同的阻值，便可在1-10³内设置需要的增益，简化了电路结构，消除由于较多的偏置器件而产生的线性与增益稳定的问题。

为防止由于高增益引起的电路自激振荡及不稳定，设置了反馈网络。该网络兼有滤除噪声的作用。

有源带通滤波单元电路能有效抑制工作带宽外的杂散信号，增强有用信号幅度，提高信噪比。在常规的弱信号测试仪器中，大都采用高通、低通及二者组合的滤波电路，滤除信号中含有的噪声，但由于工作带宽较宽，等效Q值低，抑制噪声的作用有限，抗干扰能力差，影响了整机的性能。而采用可调谐的有源带通滤波电路，虽抑制噪声的作用有所加强，但因其结构复杂，可调谐的频率范围窄，等效Q值低等因素而不应用。本设计采用专用的精密滤波集成电路器件，加设辅助电路，以电压控制方式调节中心频率，并可实现数字化外控。该单元电路等效Q值大于20，工作稳定，滤除噪声的效果好。

2、同步检测部分，同步检测部分包括相敏检波器21、信号合成电路22、低通滤波电路组成23，相敏检波器、信号合成电路、低通滤波电路依次相连，其工作原理框图如图3所示。

相敏检波器由一对互为反相的模拟开关构成，开关的通断受参考信号(方波)的控制。当输入信号的相位与参考信号的相位一致时，相敏检波器的输出是直流量，反之则输出交流量，经信号合成与低通滤波电路之后，其交流量被滤除，而有用信号被提取出来。因而该部分电路的功能相当于等效Q值极高、性能优异的滤波器，它滤除了与参考信号相位不一致的噪声，同时又是平均器，将随机干扰消除掉，而真实的信号得以恢复与加强。相敏检测器是该部分的核心单元电路，其性能直接影响抑制噪声的能力与工作的频率范围，选用动态响应特性好，道通电阻小，漏电流小，集成度高的优质元件，工作频率大于100KHz。

3、输出通道部分，输出通道部分包括输出放大器31与显示单元32组成，其工作原理框图如图4所示。由于输出放大器接受的同步检测输出信号是直流量，克服漂移成为一个突出问题。在本单元电路中选用输出低漂移的运算放大集成电路器件，取代结构复杂、集成度低的差分电路，并设置了偏置电压的控制及增益的控制，实现整机的定标。增益的控制范围1-10³。输出放大器的输出连接到原子力显微镜声成像的图像通道，同时送入显示单元作输出监视。

在本部分电路中可应用光柱显示仪取代传统的指针仪表，测量显示更为直观清晰，适宜在光线弱的工作场合使用。光柱显示的灵敏度由控制电路实现独立调整，量程可扩展5倍，解决了因输出显示与输出成像同步控制而形成的矛盾。

4、参考信号通道部分，参考信号通道部分4包括信号发生器41、锁相环路I42、电平控制电路43、倍频分相电路44、锁相环路II45等五单元电路组成，其工作原理框图如图5所示。

本部分电路的功能是产生既可作基波检测，又可做谐波检测，相位可精细调整的方波参考信号。信号发生器、锁相环路I、倍频分相电路、锁相环路II依次连接，电平控制电路与锁相环路I连接构成的精密移相器具有移相精度高，移相范围宽的特点，与由线性模拟电路或常规数字电路器件构成的移相器相比较，移相精度提高一倍，移相范围0°-150°。由锁相环路II与倍频分相构成的参考信号输出电路，产生8个输出：1F/0°、1F/90°、1F/180°、1F/270°；2F/0°、2F/90°、2F/180°、2F/270°，供使用选择。信号发生器的工作频率范围：1K-1MHz，输出正弦波信号，幅度+10V-10V(作为系统声激励器件的驱动信号)；输出同步信号(作为参考源信号)。

本发明应用新颖的电路设计与采用新发展、高品质的电子元件，强化了信号的处理能力，提高了检测信噪比；减缩了宽泛不常用的功能，简化了线路结构，降低了制作成本；解决了应用原子力显微镜进行声成像中弱信号检测这一关键技术问题，成为组建扫描探针声学显微镜的核心部件。同时也可用于其它弱信号检测场合。

附图说明

图1为检测器工作原理框图，图中1为信号通道部分，2为同步检测部分，3为输出通道部分，4为参考信号通道部分；

图2为信号通道部分的工作原理框图，图中11为前置放大电路，12为模式设置电路，13为二级放大电路，14为反馈网络电路；15为有源带通滤波电路；

图3为同步检测部分的电路工作原理框图，图中21为相敏检波器，22为信号合成电路，23为低通滤波电路；

图4为输出通道部分的电路工作原理框图，图中31为输出放大器，32为显示单元；

图5为参考信号通道部分的电路工作原理框图，41为信号发生器，42为锁相环路I，43为电平控制电路，44为倍频分相电路，45为锁相环路II；

图6为PMN-PT人工晶体材料测试结果及比较；

图7为半导体ZnO陶瓷材料测试结果及比较；

图8为PZT厚膜材料测试结果及比较；

具体实施方式

以下的实施例均是在原子力显微镜上应用本发明的仪器组建的声成像系统对各种材料所做的反映样品表面形貌的AFM像与反映样品亚表面的SPAM像，以进一步说明本发明的效果，但并非仅限于下述实施例。

实施例1

应用原子力显微镜声成像系统对PMN-PT人工晶体材料进行测试，图6显示了测试的结果。其中(a)图是样品的形貌AFM像，是原子力显微镜原本具有的功能。(b)图是组建的声成像系统在样品原位进行的反映内部结构的SPAM像。显然，(a)图与(b)图的差异很大，(b)图清晰地呈现样品的内部特有的畴结构。这种指纹状畴的取向、大小，都承载着样品所具有的性能的内在的信息。

实施例2

应用原子力显微镜声成像系统对半导体ZnO陶瓷材料进行测试。图7显示了测试的结果。与上述实例1相似，图(a)是被测样品的形貌像，图(b)是反映样品亚表面样品的声成像。图(b)所显示的清晰的样品内部结构，对于材料性能的研究极为有用。

实施例3

应用原子力显微镜声成像系统对PZT厚膜材料进行测试，图8为测试的结果。与上述实例1相似，(a)图是样品的形貌像，(b)图是反映样品内部结构的声成像。(b)图显示的样品的晶界比(a)图清晰。而这正是材料研究所关注的。

上述的实例表明了在原子力显微镜上应用本发明的仪器组建的声成像系统，扩展对样品内部结构进行显微成像了的功能。成为当前开展纳米科技的一个重要工具，推动材料研究各种深入进行。

Claims

1.一种基于原子力显微镜的声成像用弱信号检测器，包括信号通道部分(1)、同步检测部分(2)、输出通道部分(3)、参考信号通道部分(4)，其特征在于被测信号先输入至信号通道部分进行放大、滤波处理，其后输出至同步检测部分，同步检测部分接受由参考信号通道部分产生的与输入信号同步的方波信号控制进行同步检测处理，将不同相的噪声滤除，再输出至输出通道部分进行平滑、校正处理，其输出信号作为声成像信号供系统使用；

所述的信号通道部分(1)包括前置放大电路(11)、模式设置电路(12)、二级放大电路(13)、反馈网络电路(14)、有源带通滤波电路(15)，前置放大电路与被测信号直接相连，输出的信号传给二级放大电路，并进一步传入有源带通滤波电路；模式设置电路与前置放大器电路连接，控制信号输入模式；二级放大与反馈网络电路连接，起主放大作用；

所述参考信号通道部分(4)包括信号发生器(41)、锁相环路I(42)、电平控制电路(43)、倍频分相电路(44)、锁相环路II(45)组成，信号发生器、锁相环路I、倍频分相电路、锁相环路II依次连接，电平控制电路与锁相环路I连接构成的精密移相器。

2.按权利要求1所述的一种基于原子力显微镜的声成像用弱信号检测器，其特征在于所述的模式设置电路采用在印板上安装跳线的方式，改变信号的输入模式。

3.按权利要求2所述的一种基于原子力显微镜的声成像用弱信号检测器，其特征在于所述的前置放大电路的输入阻抗大于10⁶Ω。

4.按权利要求1所述的一种基于原子力显微镜的声成像用弱信号检测器，其特征在于所述的同步检测部分(2)包括相敏检波器(21)、信号合成电路(22)、低通滤波电路(23)，相敏检波器、信号合成电路、低通滤波电路依次相连；其中，相敏检波器由一对互为反相的模拟开关构成。

5.按权利要求4所述的一种基于原子力显微镜的声成像用弱信号检测器，其特征在于所述的相敏检测器工作频率大于100KHz。

6.按权利要求1所述的一种基于原子力显微镜的声成像用弱信号检测器，其特征在于所述的输出通道部分(3)包括输出放大器(31)与显示单元(32)，信号经输出放大器处理输出，同时送入显示单元作输出监视。

7.按权利要求6所述的一种基于原子力显微镜的声成像用弱信号检测器，其特征在于所述的显示单元为光柱显示仪。

8.按权利要求1所述的一种基于原子力显微镜的声成像用弱信号检测器，其特征在于信号发生器的工作频率范围为1K-1MHz，输出正弦波信号，幅度+10V——10V。