CN101210869A - 多功能广用性微悬臂梁感测灵敏度操控系统 - Google Patents

Abstract

一种多功能广用性微悬臂梁感测灵敏度操控系统，包括有：一中央控制单元、一数值控制型震荡器、一感测器驱动器与感测器形变侦测器、一感测器形变信号的侦测、讯号转换、放大与滤波器、一相位移动器、一震幅与相位信号转换器，一动态震幅与相位信号补偿器，一微悬臂梁感测灵敏度控制器，一多通道高精度类比至数位转换器等，将感测器振幅的输出信号经适当的相位移动与振幅放大后与感测器原始激振信号相加，为一新的感测器震荡源信号；并可高精度侦测微悬臂梁受外在物理量改变所导致的震幅与相位的改变，将此改变量转换成相对应的电压改变量，再馈入多通道高精度类比至数位转换器，使中央控制单元可及时的观测、分析与监控。

Description

多功能广用性微悬臂梁感测灵敏度操控系统

技术领域

本发明是涉及一种超精精密的讯号测量系统，广泛的应用于纳米级的测量与检测仪器，如扫描探针显微镜、原子力显微镜、扫描电容式显微镜、扫描电阻式显微镜、与精密温度与湿度测量器等，特别指一种多功能广用性微悬臂梁感测灵敏度操控系统

背景技术

先前的原子力显微镜技术皆仅适用于空气中的操作模式，如较早期中国台湾专利公告第00103159号，载明原子力显微镜及以原子解析度显映表面的方法，对于水深液中与真空中的使用环境所可能产生的问题及相对应的解决办法，于该专利中并未提及；此外，先前的原子力显微镜的技术如中国台湾专利公告第00435701号与公告第D103627号所记载的技术皆仅止于空气中的纳米显微技术，并无述及如本发明所提的于水深液中或是真空中时的使用方法。

另外先前的技术如中国台湾专利公告第580573号所记载，其相位差侦测装置需有两个直接数位合成器产生两个弦波讯号，成本明显较高，与本发明仅采用一中央控制单元控制一数值控制型震荡器产生工作所需特定频率的弦波有所不同。其次，中国台湾专利公告第580573号案采用两个直接数位合成器产生两个弦波讯号，其中一个作为感测器的致动信号，另一则作为参考测量信号，测量系统工作时上述的二信号必须工作于同一频率，但是实际上中国台湾专利公告第580573号案于实际实现时并无法理想的如该专利所预期的产生同一频率的信号，所以采用该专利所述的测量方式，将因参考信号与测量信号的频率不同产生严重的测量误差，并引入无可避免的测量杂讯，严重影响测量解析度。再者，中国台湾专利公告第580573号案的系统架构并无本发明所提的相位移动器与两段式的信号放大与箝位元器，因此该专利所提的方法一方面无法将相位侦测机制移转至相位较灵敏的相位角，所以该专利的相位转换灵敏度较差，另一方面，对于微弱信号的测量该专利所载的方法亦存在测量的困难度。此外，该专利所述的相位检测器输出的信号尚须经过计数器，再经微处理器处理，始能得到相位差讯号，此与本发明经相位差侦测器后的讯号不需再经前述的计数器，即已为与相位讯号成完全正相关的类比电压信号，有明显的差别。中国台湾专利公告第580573号专利并无本发明所提的带通滤波器，藉以滤除相位信号中的方波震幅成份，因此该发明的相位信号仍会被待测信号的震幅所影响。与本发明所载的技术有另一差别是，此一发明除了可以测量精密的相位改变外，亦可同步的侦测感测器的微量震幅改变，此技术在中国台湾专利公告第580573号专利并无述及，最后，中国台湾专利公告第580573号专利并无本发明所述的动态驱动信号控制器与动态信号补偿器，所以该专利所提的方法无法因应不同的感测器致动的压电材料与不同的物理量测量进行动态信号的补偿。

综合言之，如以上述专利所提的方法操作于水溶液中或真空中，感测器的灵敏度变差，将无法达到纳米级的解析度。

发明内容

本发明的目的，是提供一种多功能广用性微悬臂梁感测灵敏度操控系统，可提高微悬臂梁的感测灵敏度，即提升感测器于水溶液中、空气中、与真空中对纳米级的物理量改变所造成的感测器相位变化与感测器震幅变化的敏感度。

为此，本发明的解决方案是一种多功能广用性微悬臂梁感测灵敏度操控系统，包括有：

一中央控制单元，有以决定感测器的工作频率，并产生此一工作频率所需的对应数位控制讯号；此一中央控制单元并用以监控测量过程中微悬臂梁式感测器受外在物理量改变而产生的连续震幅与相位改变；

一感测器驱动器与感测器形变侦测器，用以产生感测器工作所需的特定频率与特定震幅的弦波讯号；上述中央控制单元所产生的数位控制讯号馈入一数值控制型震荡器，产生感测器工作所需的特定频率与特定震幅的类比弦波讯号，并经动态驱动信号震幅控制器用以驱动微悬臂梁式感测器；上述的特定频率与特定震幅的类比弦波讯号并作为相位差测量所需的测量参考信号；

一感测器形变信号的侦测、讯号转换、放大与滤波器，用以侦测感测器形变量，并将感测器的输出弦波信号进行适当的讯号转换，信号震幅放大与信号杂讯滤波的处理；

一相位移动器，用以将上述经处理过的测量弦波信号进行适当的相位移动，上述的测量参考信号亦需经此一相位移动电路进行适当的相位移动，以取得最大的相位差侦测灵敏度；

一震幅与相位信号转换器，可即时同步监控因外在物理量的改变所产生感测器的震幅与相位差信号的改变，并将此一改变同步的转换成电压信号；

一动态震幅与相位信号补偿器，用以动态的补偿感测器震幅与相位差信号的震幅强度；

一微悬臂梁感测灵敏度控制器，用以对上述的测量弦波信号进行适当的相位移动与震幅放大之后再馈入信号加法器，馈入信号加法器的信号与数值震荡器所产生的弦波信号相加之后，用以提升探针于特定工作频率的灵敏度；

一多通道高精度类比至数位转换器，用以将上述的相位差类比输出电压信号与感测器震幅电压信号转换为相对应的数位信号，并送至中央处理单元进行资料分析与监控。

上述的感测器驱动器与感测器形变侦测器，包括：

一数值控制型震荡器，接受中央控制单元所送的数位信号，以一超高频率解析度的数值控制式震荡器产生工作所需的周期性弦波信号，并将该信号馈入动态驱动信号振幅控制器，该周期性弦波信号作为一测量所需的参考信号，用以产生测量工作所需特定振幅与特定频率的弦波信号；

一动态驱动信号振幅控制器，接收数值控制型震荡器所产生的弦波信号，动态的补偿控制该信号的震幅，以有效的驱动感测器的机械致动装置；

一感测器的致动器，接受动态驱动信号振幅控制器的输出信号，用以驱动双极性的压电材料产生固定震幅与频率的震动，并藉以带动感测器产生特定频率与震幅的震动；

一微悬臂梁式感测器，接收感测器的致动器所产生的特定频率与震幅的信号，使感测器工作于敏感度最佳的谐振频率附近。

上述的感测器形变信号的侦测、讯号转换、放大、与滤波器，包括：

一电流至电压转换器，将微悬臂梁式感测器所感测到的物理量改变如电流、感测器震幅、电阻值、电容值、磁力、静电力转换成相对应的电压信号，以利信号分析与观测；

一前置放大器，将经电流至电压转换器后的微弱弦波信号，进行适度的放大；

一低通滤波器，将前置放大器输出的信号，进行电器、环境杂讯滤除之用。

上述相位移动器包括：两相位移动电路、一类比式的相位移动装置，用以将测量所需的参考信号与感测器所感测到的测量信号做适当的相位移动，以得到最佳的相位差至电压转换的灵敏度。

上述震幅与相位信号转换器包括：

一方均根植转换器，用以将感测器震幅的交流测量信号，转换成为相对应的直流电压信号；

一正弦波至方波转换器，用以将经相位移动过的测量弦波讯号转换成为固定震幅的测量方波讯号；

一相位差侦测器，包括一相位差侦测电路，采用乘法定理藉以侦测两馈入的周期性固定震幅方波信号的相位差，并将相位差转换为相对应的类比输出电压信号；

一低通滤波器，用以将方均根值转换器输出的电压讯号的杂讯成分滤除；

一带通滤波器，包括一带通滤波电路，用以将相位差侦测器输出的电压讯号的直流成分滤除。

所述方均根植转换器包括一方均根值转换电路，用以将感测器震幅的交流测量信号，转换成为相对应的直流电压信号。

所述正弦波至方波的转换电路包括：第一放大器；第一箝位器；第二放大器；第二箝位器；第三放大器；第三箝位器；第四放大器；第四箝位器，用以将周期性的参考测量信号与感测器所感测到的测量信号转换成为相对应的方波信号；此一部分的动作原理，采用两阶段放大与箝位元的电路，以有效的将弦波信号转换成为固定震幅的方波信号；此一部分采用二极体与运算放大器来实现。

所述动态震幅与相位信号补偿器包括：

一第一动态信号补偿器，用以动态补偿与感测器震幅相关的电压信号强度；

一第二动态信号补偿器，用以动态补偿与感测器相位相关的电压信号强度。

所述多通道高精度类比至数位转换器包括：一多通道高精度类比至数位转换电路，用以将带通滤波器处理过的电压信号转换成电脑可判读的数位信号，并送至中央处理单元进行资料分析与监控。

所述微悬臂梁感测灵敏度控制器包括：

一回馈可调式相位移动器，藉以将第一相位移动器的输出信号再做适当的相位移动，此一相位移动的大小可针对不同制程的探针、不同的工作环境，不同的工作频率进行动态调整；

一回馈可调式震幅放大器，用以将回馈可调式相位移动器的输出信号再做适当的震幅放大处理；

一信号加法器，用以将回馈可调式震幅放大器的输出信号与数值控制型震荡器的输出弦波信号相加后再馈入感测器致动器藉以致动感测器，以藉由感测器震幅回馈的方式调整感测器于特定工作频率的灵敏度。

此操控系统是将感测器振幅的输出信号经适当的相位移动与振幅放大之后并与感测器原始激振信号相加，成为一新的感测器震荡源信号，以对纳米级的微结构进行有效的侦测；同时藉由连续且类比的方式以高精度侦测一微悬臂梁因受外在物理量改变所导致的震幅与相位的改变，搭配相关的震幅与相位转换积体电路，将相位差改变量与震幅改变量转换成相对应的电压改变量，将此电压改变量馈入多通道高精度类比至数位转换器，即可以中央控制单元及时观测微悬臂梁式感测器因受外在物理量改变所产生的对应性震幅与相位变化；其优点在于制作成本低、连续式的侦测与转换方式、对于相位改变与震幅改变的侦测灵敏度高、相位信号对于待测弦波的震幅变化影响极小、对于不同制程的微悬臂梁式感测器的驱动讯号可作动态的调整。

附图说明

图1为泛用型微悬臂梁感测灵敏度控制装置架构图。

图2为本发明的中央处理单元与工作用弦波产生器方块图。

图3为本发明的微悬臂梁式感测器驱动电路与感测器震幅信号侦测器方块图。

图4为本发明的感测讯号转换、放大与滤波器方块图。

图5为本发明的相位移动器方块图。

图6为本发明的震幅与相位信号转换器方块图。

图7为本发明的正弦波至方波转换器方块图。

图8为本发明的动态震幅与相位信号补偿器与高精度类比至数位转换器方块图。

图9为本发明的微悬臂梁感测灵敏度控制器方块图。

主要元件符号说明

1中央控制单元。

2数值控制型震荡器。

3信号加法器。

4动态驱动信号震幅控制器。

5感测器的致动器。

6微悬臂梁式感测器。

7四象限光侦测器。

8电流至电压转换器。

9前置放大器。

10低通滤波器。

11第一相移器。

12第二相移器。

13正弦波至方波转换器。

14方均根值转换器。

15相位差侦测器。

16低通滤波器。

17带通滤波器。

18第一动态信号震幅补偿器。

19第二动态信号震幅补偿器。

20多通道高精度类比至数位转换器。

21微悬臂梁感测灵敏度控制器。

71第一放大器。

72第一箝位器。

73第二放大器。

74第二箝位器。

75第三放大器。

76第三箝位器。

77第四放大器。

78第四箝位器。

91回馈可调式相位移动器。

92回馈可调式震幅放大器。

具体实施方式

本发明优点在于可及时的以纳米级的解析度，解析样品的三维结构，尤其适用于水溶液中与真空中，一般感测器进入水溶液中，感测器的灵敏度受制于水溶液作用力的影响而变差，而本发明可以提升感测器于水溶液中、空气中与真空中对纳米级的物理量改变所造成的感测相位变化与感测器震幅变化的敏感度，可以将纳米级的物理量改变所造成的微悬臂梁的震幅与相位变化转换成相对应的电压变化，藉由分析与观测此一电压讯号的变化，即可反推待测样品的表面形貌结构，或是感测器周边的温度、湿度与压力的改变。此一感测装置应用范围较广，较先前技术可以测量更多的物理量的纳米级改变，并不局限于纳米级的形貌检测。以下藉由具体实施例，配合附图对本发明做详细的说明。

如图1～图9所示：

中央控制单元1决定感测器的驱动讯号频率，同时将此一频率转换成数位信号，将此数位信号输出控制数值控制型震荡器2产生系统动作所需的固定频率弦波；此外相位差信号与震幅信号也由一多通道高精度类比至数位转换器20，转换成数位信号并输入至中央控制单元1进行分析与监控。

数值控制型震荡器2可以藉由中央控制单元1控制直接产生检测所需的特定频率与特定振幅的弦波信号，此一弦波讯号一方面馈入第二相移器作为一测量用的参考讯号，另一方面亦将此一讯号送至信号加法器3，此方式较先前的技术优点在于控制方式较简单，仅需一颗数值控制型震荡器2即可完成，成本较低。

信号加法器3是将上述的数值控制震荡器2输出的特定频率与特定振幅的弦波信号与微悬臂梁感测灵敏度控制器21的输出信号相加之后，再输出至动态驱动信号震幅控制器4，并藉由感测器的致动器5藉以致动微悬梁式感测器6产生测量所需的特定震幅与特定频率的震动。

动态驱动信号震幅控制器4藉以动态的补偿上述的数值控制震荡器2所产生的弦波信号震幅，以因应不同驱动灵敏度的压电陶瓷微悬臂梁致动器。

感测器的致动器5是以双极性的压电陶瓷极板做为机械结构材料，接收上述经动态驱动信号震幅控制器4处理过的弦波信号，藉由压电材料的机电原理，产生对应性的型变，藉以驱动微悬臂梁式感测器6产生固定频率与震幅的震动。

微悬臂梁式感测器6受外在物理量改变如温度、压力、湿度、作用力等因素的影响所产生的形变而导致的测量弦波信号的震幅与相位的改变；本发明的感测装置应用范围较广，较先前技术可以测量更多的物理量的纳米级改变，并不局限于纳米级的形貌检测。

四象限光侦测器7可以同步的侦测微悬臂梁式感测器6受横向与纵向的作用力作用后，而产生的对应性形变。

电流至电压转换器8将上述的四象限光侦测器7所侦测的电流信号，转换至对应性的电压信号。上述的电流信号将因感测器所受外在物理量的不同而有所不同。

前置放大器9将上述电流至电压转换器8输出的电压信号进行有效的放大，以利观测、分析与讯号处理。

低通滤波器10，可以将感测器、电子电路、测量周边环境的不确定因数所引入的杂讯加以滤除；此一装置在已发表的专利并无述及。

第一相移器11因为图1中的相位差侦测1 5采用输入信号相乘以撷取相位差的原理进行相位的转换；本发明所提出的相位移动器可以将参考信号与待测讯号进行对应性的相位移动，使两待测讯号的静相位差为0度、90度、180度或270度，则相位差与相对应的电压改变可得最大的转换灵敏度，此一部分的技术亦为本发明的重心，先前发表的专利技术并无此一讯号处理的方法。

第二相移器12因为图1中的相位侦测器采用乘法器的原理进行相位的转换；本发明所提出的相位移动器可以将参考信号与待测讯号皆进行对应性的相位移动，使两待测讯号的静相位差为0度、90度、180度或270度，则相位差与相对应的电压改变可得最大的转换灵敏度。

方均根值转换器14藉以将测量的弦波信号的震幅转换成为对应的直流电压信号，当测量弦波信号的震幅因外在作用力改变，其相对的方均根值直流电压信号亦将对应性的改变；此一震幅侦测器亦未曾于已经发表的专利述及。

正弦波至方波转换器13采用两阶段讯号放大与箝位元装置，可以以类比的方式将两待测弦波讯号处理成震幅一致的方波讯号，因此测量讯号的震幅改变并不会影响到相位侦测器的输出讯号。换言之相位侦测器的讯号输出仅同步且完整的转换两待测讯号的相位差；此一部分的技术与观念为发明的重心，先前发表的专利技术并无此一讯号处理的技术。

承前所述的两经相位移动器与正弦波至方波转换器13处理后的方波讯号送至图1所示的相位差侦测器15即可以将两方波的相位差讯号转换成类比的电压讯号；此一部分的相位差检测技术采用信号相乘以撷取相位差的原理，亦与已经发表的专利技术有明显的差别。

带通滤波器17可以将输入讯号亦即相位差侦测器15的输出讯号的直流成分亦即弦波震幅所造成的部分滤除，此外亦可以将高频的杂讯滤除；亦即经此一带通滤波器的讯号输出将完全反应两待测弦波的相位差；此一讯号处理的概念亦未曾于已经发表的相关专利述及。

第一动态信号震幅补偿器18藉以动态的补偿与感测器震幅相关的电压信号的强度。

第二动态信号震幅补偿器19藉以动态的补偿与相位差相关的电压信号的强度。

多通道高精度类比至数位转换器20藉以同步的将上述的震幅与相位相关的电压信号，撷取并转换成为电脑可判读的数位信号，并馈入中央控制单元1进行分析、观测。

感测器的震幅与相位输出信号将经四象限光侦测器7、电流至电压转换器8、前置放大器9、与低通滤波器10之后，再经第一相移器11进行适当移相之后，馈入微悬臂梁感测灵敏度控制器21，再经回馈可调式相位移动器91移相，并经回馈可调式振幅放大器92放大之后再馈入信号加法器3。

感测器的震幅输出信号经回馈可调式相位移动器91移相，并经回馈可调式振幅放大器92放大后的信号，再馈入信号加法器3与数值控制型震荡器2所产生的弦波信号相加之后再作为感测器的激震信号，如此可以动态的于特定频率改变微悬臂梁式感测器6的灵敏度。

上述的回馈可调式相位移动器91与回馈可调式振幅放大器92即为发明人所谓的微悬臂梁感测灵敏度控制器21。藉由动态回馈的方式，将感测器的震幅输出信号经适当的回馈感测器灵敏度度控制器的机制再馈入信号加法器3，藉以动态的补偿感测器于工作频率的感测灵敏度，此一部分的技术与观念为本案所提技术的重心，先前发表的专利技术并无此一讯号处理的技术。

上述的回馈可调式相位移动器91与回馈可调式振幅放大器92，皆为动态可调的装置，其优点在于动态可调的机制可以依据不同的工作环境、不同机械性质的感测器进行动态补偿调整。

上述动态补偿的技术，可以有效的提升感测器的谐振因数，感测器的谐振因数的大小将影响感测器的检测灵敏度；因此本发明的核心技术即在于动态的调整回馈可调式相位移动器91与回馈可调式振幅放大器92，藉以提升感测器的谐振因数，并进而达成提升感测器灵敏度的目的；此一部分的技术与观念为本案所提技术的重心，先前发表的专利技术并无此一讯号处理的技术。

如图1所示，以上述的构件，于使用实施时：

由中央控制单元1产生的数位控制讯号藉以控制数值控制型震荡器2产生特定震幅与特定频率的弦波讯号f_excite(t)＝A_excitecos(ω_ot)，

将此f_excite(t)信号送至第二相移器12，进行适当的相位移动，做为测量感测器驱动信号与感测器受外力形变后，震幅输出信号的相位差测量参考信号；

将数值控制型震荡器2的输出信号送至信号加法器3；

将动态驱动信号震幅控制器4的输出信号送至感测器的致动器5藉以驱动微悬梁式感测器6产生特定震幅与特定频率的震动；

将信号加法器3的输出信号馈入动态驱动信号震幅控制器4，藉以补偿上述的特定震幅与特定频率的弦波讯号的震幅；

当测量用微悬臂梁式感测器6于运作时因受外在的物理量改变，感测器将产生对应性的形变；此一形变将于四象限光侦测器7产生对应性的位移改变，此一位移改变将于四象限光侦测器7的输出产生相对应的感应输出电流改变；

将四象限光侦测器7的测量电流改变经电流至电压转换器8，即可以将感测器所测量到的外在物理量改变转换成相对应的电压讯号；

将上述的电压讯号经前置放大器9放大后馈入低通滤波器10，即可得到感测器的震幅输出测量信号f_m(t)＝A_mcos(ω_ot+Δθ(t))；因发明人以特定震幅与特定频率的讯号驱动微悬臂梁式感测器6，因此感测器的震幅输出将产生与驱动讯号同频率的讯号；及

将量测讯号f_m(t)馈入第一相移器11经处理之后可得一震幅与f_m(t)一致的讯号A_mcos(ω_ot+Δθ(t)+θ₁)；及

将上述的测量讯号A_mcos(ω_ot+Δθ(t)+θ₁)与参考测量讯号A_excitecos(ω_ot+θ₂)送入相位差侦测器15，即可以连续的方式将输入的两讯号f_m(t)和f_excite(t)的微相位差转换成相对应的电压讯号J_θ(t)。可以预知的，当前述的感测器感应到外在的应力、温度、湿度等物理量的改变，将于测量讯号f_m(t)产生对应的相位改变，因此电压讯号J_θ(t)亦将相对应的改变；及

将第一相移器11的输出讯号A_mcos(ω_ot+Δθ(t)+θ₁)送至方均根值转换器，即可以将输出弦波讯号转为相对应的直流电压讯号J_A(t)；

将上述的与感测器震幅相关的电压信号J_A(t)馈入低通滤波器16，以滤除不必要的杂讯；

将上述与感测器的输入与输出讯号相位差相关的讯号J_θ(t)馈入带通滤波器17，以滤除不必要的高频杂讯以及与相位信号不相关的直流讯号成份；

微悬臂梁式感测器6于实际操作时会先对感测器进行扫频的工作，以找寻感测器最灵敏的工作频率，亦即数值控制型震荡器2输出的讯号频率会一直改变并馈入微悬臂梁式感测器6，此时方均根值转换器14与相位差侦测器15输出的J_A(t)与J_θ(t)讯号会随着频率相对的改变；

将低通滤波器16输出的电压信号馈入第一动态信号震幅补偿器18，藉以动态补偿因感测器的材料特性与压电特性不同所产生于方均要命值转换器输出信号的信号强度不同；

将带通滤波器17输出的电压信号馈入第二动态信号震幅补偿器19，藉以动态补偿因感测器的材料特性与压电特性不同所产生于相位差侦测器输出信号的信号强度不同；

第一动态信号震幅补偿器18的感测器震幅输出讯号与第二动态信号震幅补偿器19的相位输出讯号送至多通道高精度的类比至数位转换器20，即可以将震幅与相位改变的类比讯号转换成中央控制单元1可判读的数位讯号，并送至电脑进行资料分析；

亦将第一相移器11的输出讯号馈入微悬臂梁感测灵敏度控制器21，并经回馈可调式相位移动器91，即可得一信号为A_mcos(ω_ot+Δθ(t)+θ₁+θ_adjust)的讯号，θ_adjust为回馈可调式相位移动器91的可调相位角。此外，并可再经回馈可调式震幅放大器92可得一为G_adjustA_mcos(ω_ot+Δθ(t)+θ₁+θ_adjust)的信号，其中G_adjust为回馈可调式震幅放大器92的可调增益值；及

将上述G_adjustA_mcos(ω_ot+Δθ(t)+θ₁+θ_adjust)与数值控制型震荡器2馈入信号加法器3相加之后，再馈入感测器的致动器5以驱动微悬臂梁式感测器，如此可以藉由调整θ_adjust与G_adjust的值，于感测器的工作频率有效的调整感测器的灵敏度。

Claims (10)

1.一种多功能广用性微悬臂梁感测灵敏度操作系统，其特征在于：包括有，

一中央控制单元，有以决定感测器的工作频率，并产生此一工作频率所需的对应数位控制讯号；此一中央控制单元并用以监控测量过程中微悬臂梁式感测器受外在物理量改变而产生的连续震幅与相位改变；

一感测器驱动器与感测器形变侦测器，用以产生感测器工作所需的特定频率与特定震幅的弦波讯号；上述中央控制单元所产生的数位控制讯号馈入一数值控制型震荡器，产生感测器工作所需的特定频率与特定震幅的类比弦波讯号，并经动态驱动信号震幅控制器用以驱动微悬臂梁式感测器；上述的特定频率与特定震幅的类比弦波讯号并作为相位差测量所需的测量参考信号；

一感测器形变信号的侦测、讯号转换、放大与滤波器，用以侦测感测器形变量，并将感测器的输出弦波信号进行适当的讯号转换，信号震幅放大与信号杂讯滤波的处理；

一相位移动器，用以将上述经处理过的测量弦波信号进行适当的相位移动，上述的测量参考信号亦需经此一相位移动电路进行适当的相位移动，以取得最大的相位差侦测灵敏度；

一震幅与相位信号转换器，用以即时同步监控因外在物理量的改变所产生感测器的震幅与相位差信号的改变，并将此一改变同步的转换成电压信号；及

一动态震幅与相位信号补偿器，用以动态的补偿感测器震幅与相位差信号的震幅强度；

一微悬臂梁感测灵敏度控制器，用以对上述的测量弦波信号进行适当的相位移动与震幅放大之后再馈入信号加法器，馈入信号加法器的信号与数值震荡器所产生的弦波信号相加之后，用以提升探针于特定工作频率的灵敏度；

一多通道高精度类比至数位转换器，用以将上述的相位差类比输出电压信号与感测器震幅电压信号转换为相对应的数位信号，并送至中央处理单元进行资料分析与监控。

2.如权利要求1所述的多功能广用性微悬臂梁感测灵敏度操控系统，其特征在于：所述的感测器驱动器与感测器形变侦测器，包括：

一数值控制型震荡器，接受中央控制单元所送的数位信号，以一超高频率解析度的数值控制式震荡器产生工作所需的周期性弦波信号，并将该信号馈入动态驱动信号振幅控制器，该周期性弦波信号作为一测量所需的参考信号，用以产生测量工作所需特定振幅与特定频率的弦波信号；

一动态驱动信号振幅控制器，接收数值控制型震荡器所产生的弦波信号，动态的补偿控制该信号的震幅，以有效的驱动感测器的机械至动装置；

一感测器的致动器，接受动态驱动信号振幅控制器的输出信号，用以驱动双极性的压电材料产生固定震幅与频率的震动，并藉以带动感测器产生特定频率与震幅的震动；

一微悬臂梁式感测器，接收感测器的致动器所产生的特定频率与震幅的信号，使感测器工作于敏感度最佳的谐振频率附近，则感测器对于外在物理量的改变的对应性形变与相位改变的灵敏度最佳。

3.如权利要求1所述的多功能广用性微悬臂梁感测灵敏度操控系统，其特征在于：所述的感测器形变信号的侦测、讯号转换、放大、与滤波器，包括：

一电流至电压转换器，将微悬臂梁式感测器所感测到的物理量改变如电流、感测器震幅、电阻值、电容值、磁力、静电力转换成相对应的电压信号，以利信号分析与观测；

一前置放大器，将经电流至电压转换器后的微弱弦波信号，进行适度的放大；

一低通滤波器，将前置放大器输出的信号，进行电器、环境杂讯滤除之用。

4.如权利要求1所述的多功能广用性微悬臂梁感测灵敏度操控系统，其特征在于：所述相位移动器包括：两相位移动电路、一类比式的相位移动装置，用以将测量所需的参考信号与感测器所感测到的测量信号做适当的相位移动，以得到最佳的相位差至电压转换的灵敏度。

5.如权利要求1所述的多功能广用性微悬臂梁感测灵敏度操控系统，其特征在于：所述震幅与相位信号转换器包括：

一方均根植转换器，用以将感测器震幅的交流测量信号，转换成为相对应的直流电压信号，用以连续的观测感测器震幅交流测量信号的改变；

一正弦波至方波转换器，用以将经相位移动过的测量弦波讯号转换成为固定震幅的测量方波讯号；

一相位差侦测器，包括一相位差侦测电路，采用乘法定理藉以侦测两馈入的周期性固定震幅方波信号的相位差，并将相位差转换为相对应的类比输出电压信号；

一低通滤波器，用以将方均根值转换器输出的电压讯号的杂讯成分滤除；

一带通滤波器，包括一带通滤波电路，用以将相位差侦测器输出的电压讯号的直流成分滤除。

6.如权利要求5所述的多功能广用性微悬臂梁感测灵敏度操控系统，其特征在于：所述方均根植转换器包括一方均根值转换电路，用以将感测器震幅的交流测量信号，转换成为相对应的直流电压信号。

7.如权利要求5所述的多功能广用性微悬臂梁感测灵敏度操控系统，其特征在于：所述正弦波至方波的转换器包括：第一放大器；第一箝位器；第二放大器；第二箝位器；第三放大器；第三箝位器；第四放大器；第四箝位器，用以将周期性的参考测量信号与感测器所感测到的测量信号转换成为相对应的方波信号；此一部分的动作原理，采用两阶段放大与箝位元的电路，以有效的将弦波信号转换成为固定震幅的方波信号；此一部分采用二极体与运算放大器来实现。

8.如权利要求1所述的多功能广用性微悬臂梁感测灵敏度操控系统，其特征在于：所述动态震幅与相位信号补偿器包括：

一第一动态信号补偿器，用以动态补偿与感测器震幅相关的电压信号强度；

一第二动态信号补偿器，用以动态补偿与感测器相位相关的电压信号强度。

9.如权利要求1所述的多功能广用性微悬臂梁感测灵敏度操控系统，其特征在于：所述多通道高精度类比至数位转换器包括：一多通道高精度类比至数位转换电路，用以将带通滤波器处理过的电压信号转换成电脑可判读的数位信号，并送至中央处理单元进行资料分析与监控。

10.如权利要求1所述的多功能广用性微悬臂梁感测灵敏度操控系统，其特征在于：所述微悬臂梁感测灵敏度控制器包括：

一回馈可调式相位移动器，藉以将第一相位移动器的输出信号再做适当的相位移动，此一相位移动的大小可针对不同制程的探针、不同的工作环境，不同的工作频率进行动态调整；

一回馈可调式震幅放大器，用以将回馈可调式相位移动器的输出信号再做适当的震幅放大处理；

一信号加法器，用以将回馈可调式震幅放大器的输出信号与数值控制型震荡器的输出弦波信号相加后再馈入感测器致动器藉以致动感测器，以藉由感测器震幅回馈的方式调整感测器于特定工作频率的灵敏度。

Images