CN101566550A - 在计量型原子力显微镜上增加力曲线功能模块的方法 - Google Patents

在计量型原子力显微镜上增加力曲线功能模块的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN101566550A
CN101566550A CNA2009100688858A CN200910068885A CN101566550A CN 101566550 A CN101566550 A CN 101566550A CN A2009100688858 A CNA2009100688858 A CN A2009100688858A CN 200910068885 A CN200910068885 A CN 200910068885A CN 101566550 A CN101566550 A CN 101566550A
Authority
CN
China
Prior art keywords
piezoelectric ceramics
atomic force
force microscope
force curve
control line
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CNA2009100688858A
Other languages
English (en)
Other versions
CN101566550B (zh
Inventor
栗大超
邱晗
徐临燕
傅星
胡小唐
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tianjin University
Original Assignee
Tianjin University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tianjin University filed Critical Tianjin University
Priority to CN2009100688858A priority Critical patent/CN101566550B/zh
Publication of CN101566550A publication Critical patent/CN101566550A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN101566550B publication Critical patent/CN101566550B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q10/00—Scanning or positioning arrangements, i.e. arrangements for actively controlling the movement or position of the probe
    • G01Q10/04—Fine scanning or positioning
    • G01Q10/06—Circuits or algorithms therefor
    • G01Q10/065—Feedback mechanisms, i.e. wherein the signal for driving the probe is modified by a signal coming from the probe itself

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

一种在计量型原子力显微镜上增加力曲线功能模块的方法，操作计量型原子力显微镜进入正常扫描模式，设置扫描范围为零并关闭PI反馈；检测出控制压电陶瓷Z向位移的控制线，将该控制线连接到双选开关上；利用第2步骤的双选开关切断原子力显微镜内部对压电陶瓷Z向位置的控制，使压电陶瓷Z向控制线与外部信号发生器相连接；调节信号发生器输出波形与电压，将输出信号连接在压电陶瓷放大器上，使该信号所控制的压电陶瓷Z向位置在可用范围内；在控制压电陶瓷Z向位移控制线与双选开关连接的切换端口处连接缓冲电路；存储压电陶瓷位置数据及对应的压电陶瓷端部的微探针针尖偏转数据，绘制力曲线图。本发明降低了制样要求，增加了力曲线图形的可靠性和准确性。

Description

在计量型原子力显微镜上增加力曲线功能模块的方法
技术领域
本发明涉及一种在原子力显微镜上增加功能模块的方法。特别是涉及一种提高了力曲线图形的可靠性和准确性的在计量型原子力显微镜上增加力曲线功能模块的方法。
背景技术
原子力显微镜一种具有原子级高分辨力的仪器，可以在大气和液体环境下对各种材料和样品进行纳米区域的物理性质包括三维形貌进行探测，或者直接进行纳米操纵；现已广泛应用于半导体、纳米功能材料、生物、化工、食品、医药研究和科研院所各种纳米相关学科的研究实验等领域中，成为纳米科学研究的基本工具。原子力显微镜上的力曲线指的是原子力显微镜的微探针对被测样品进行单点加载/卸载过程中描述Z向压电陶瓷位移-微悬臂梁偏转关系的曲线。力曲线在纳米压痕、弯曲测试、离面振动测试及器件或结构的静态力学特性分析和动态特性分析方面都具有十分重要的作用。如何获得高精确、高可靠性的力曲线图形，已成为纳米科学研究领域的迫切要求。
美国VEECO公司的Multimode型原子力显微镜具有力曲线功能，但由于样品台较小且三轴方向上压电陶瓷驱动器均工作在开环状态，无法满足大样品力曲线的精密测量。D3100m计量型原子力显微镜具有较大的样品台，测量时移动探针而不必移动样品，降低了制样要求，能满足对大样品的力曲线测量。同时，D3100m计量型原子力显微镜具有三轴方向的闭环电容反馈，可有效降低压电陶瓷驱动器固有的迟滞性、非线性等缺点带来的测量误差。但由于D3100m计量型原子力显微镜不具有力曲线功能模块，限制了其在纳米科学与技术研究中的广泛应用，因此对其增加力曲线功能模块显得十分必要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种通过对计量型原子力显微镜压电陶瓷外加驱动信号，完成对样品的加载与卸载，绘制力曲线图形，从而实现在在计量型原子力显微镜上增加力曲线功能模块的方法。
本发明所采用的技术方案是：一种在计量型原子力显微镜上增加力曲线功能模块的方法，包括如下步骤：
(1)操作计量型原子力显微镜进入正常扫描模式，设置扫描范围为零并关闭PI反馈；
(2)检测出控制压电陶瓷Z向位移的控制线，并将该控制线连接到双选开关上；
(3)利用步骤(2)中所述的双选开关切断原子力显微镜内部对压电陶瓷Z向位置的控制，使压电陶瓷Z向控制线与外部信号发生器相连接；
(4)调节信号发生器输出波形与电压，将输出信号连接在压电陶瓷放大器上，使该信号所控制的压电陶瓷Z向位置在可用范围内；
(5)在控制压电陶瓷Z向位移控制线与双选开关连接的切换端口处连接缓冲电路；
(6)存储压电陶瓷位置数据及对应的压电陶瓷端部的微探针针尖偏转数据，绘制力曲线图。
步骤(4)中所述的信号发生器的输出波形为固定频率的交直流混合三角波。
步骤(5)中所述的缓冲电路，在开关切换过程中出现瞬时供电空位时为压电陶瓷提供供电电压。
步骤(6)中所述的力曲线是以存储的压电陶瓷位置数据为横坐标，以相应的针尖偏转数据为纵坐标所绘制的。
本发明的在计量型原子力显微镜上增加力曲线功能模块的方法，具有如下特点：
1.本发明充分利用了计量型原子力显微镜大样品台的优势，克服了多功能原子力显微镜由于样品台小而无法测量大样品的缺点，降低了制样要求。
2.本发明有效利用了计量型原子力显微镜压电陶瓷三轴方向的闭环电容反馈，能有效降低压电陶瓷驱动器固有的迟滞性、非线性等缺点带来的测量误差，增加了力曲线图形的可靠性和准确性。
附图说明
图1为外加力曲线功能模块的计量型原子力显微镜系统框图；
图2为开关缓冲电路示意图。
其中：
1：计算机                2：控制箱
3：SAM箱                 4：扩充器
5：波形发生器            6：电压放大器
7：电学箱                8：扫描仪
9：样品台                10：控制箱25针输入线
11：Z向压电陶瓷输入线    12：双选开关
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的在计量型原子力显微镜上增加力曲线功能模块的方法做出详细说明。
本发明的在计量型原子力显微镜上增加力曲线功能模块的方法，包括如下步骤：
(1)操作计量型原子力显微镜进入正常扫描模式，设置扫描范围为零并关闭PI反馈(比例积分反馈)；
使原子力显微镜进入正常扫描模式并设置零扫描范围，原子力显微镜上的压电陶瓷端部的微探针将对样品进行单点扫描，此时关闭PI反馈，则压电陶瓷的Z向位置将保持不变，对应的控制压电陶瓷Z向位移的控制线上的电压也保持不变。
(2)利用万用表检测出控制压电陶瓷Z向位移的控制线，并将该控制线连接到双选开关上；
结合图1所示，从计量型原子力显微镜的控制箱2中输出的控制信号经过25针输入控制线10输入到电学箱7内，其中有一针信号通过Z向压电陶瓷输入线11输入，用来控制与压电陶瓷/扫描仪8相连的压电陶瓷Z向位移。利用数字万用表对该控制线进行检测，把检测出的控制压电陶瓷Z向位移的控制线与双选开关12相连接，以实现内部控制信号与外部控制信号的切换。
(3)利用步骤(2)中所述的双选开关切断原子力显微镜内部对压电陶瓷Z向位置的控制，使压电陶瓷Z向控制线与外部信号发生器相连接；
由于控制压电陶瓷的电压信号比较大，一般可达几十甚至上百伏，所以需要在信号发生器5的输出端连接电压放大器6。使双选开关12与放大器6的输出端相连，从而实现了利用外部信号控制压电陶瓷Z向位移。
(4)调节信号发生器输出波形与电压，将输出信号连接在压电陶瓷放大器上，使该信号所控制的压电陶瓷Z向位置在可用范围内；所述的信号发生器的输出波形为固定频率的交直流混合三角波。一般设置较小频率，在1Hz左右，每个三角波周期实现压电陶瓷在样品上的加载和卸载过程。三角波信号的直流偏置电压应接近步骤(2)中检测出的压电陶瓷Z向位移控制线的电压，交流电压信号不宜过大，一般控制在20伏以内，以免压电陶瓷端部的微探针针尖与样品因过度接触而损坏。
(5)在控制压电陶瓷Z向位移控制线与双选开关连接的切换端口处连接缓冲电路；所述的缓冲电路，在开关切换过程中出现瞬时供电空位时为压电陶瓷提供供电电压。
为避免压电陶瓷上电压突变对压电陶瓷造成损坏，双选开关须连接一个缓冲电路，确保压电陶瓷在工作过程中始终有电压提供。缓冲电路如图2所示，开关接通a以后，输出点电势与a相同，同时给电容充电。开关从a切换到b瞬间，电容对输出点提供瞬时电压，接到b点以后，又由b提供对输出点的电压，同时又对电容充电。这样开关在切换过程中总有电容对输出点供电，从而起到了缓冲作用。
(6)存储压电陶瓷位置数据及对应的压电陶瓷端部的微探针针尖偏转数据，绘制力曲线图；所述的力曲线是以存储的压电陶瓷位置数据为横坐标，以相应的针尖偏转数据为纵坐标所绘制的。
在一个扫描周期完成后，记录压电陶瓷Z向位移坐标数据和微探针的针尖偏转数据，由于原子力显微镜在记录该两组数据时是同时记录的，所以这两组数据在时间上是对应的，这样以压电陶瓷Z向位移坐标为横坐标，以微探针的针尖偏转信号为纵坐标就可以得到相应的力曲线图形。

Claims (4)

1.一种在计量型原子力显微镜上增加力曲线功能模块的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)操作计量型原子力显微镜进入正常扫描模式，设置扫描范围为零并关闭PI反馈；
(2)检测出控制压电陶瓷Z向位移的控制线，并将该控制线连接到双选开关上；
(3)利用步骤(2)中所述的双选开关切断原子力显微镜内部对压电陶瓷Z向位置的控制，使压电陶瓷Z向控制线与外部信号发生器相连接；
(4)调节信号发生器输出波形与电压，将输出信号连接在压电陶瓷放大器上，使该信号所控制的压电陶瓷Z向位置在可用范围内；
(5)在控制压电陶瓷Z向位移控制线与双选开关连接的切换端口处连接缓冲电路；
(6)存储压电陶瓷位置数据及对应的压电陶瓷端部的微探针针尖偏转数据，绘制力曲线图。
2.根据权利要求1所述的在计量型原子力显微镜上增加力曲线功能模块的方法，其特征在于，步骤(4)中所述的信号发生器的输出波形为固定频率的交直流混合三角波。
3.根据权利要求1所述的在计量型原子力显微镜上增加力曲线功能模块的方法，其特征在于，步骤(5)中所述的缓冲电路，在开关切换过程中出现瞬时供电空位时为压电陶瓷提供供电电压。
4.根据权利要求1所述的在计量型原子力显微镜上增加力曲线功能模块的方法，其特征在于，步骤(6)中所述的力曲线是以存储的压电陶瓷位置数据为横坐标，以相应的针尖偏转数据为纵坐标所绘制的。
CN2009100688858A 2009-05-15 2009-05-15 在计量型原子力显微镜上增加力曲线功能模块的方法 Expired - Fee Related CN101566550B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN2009100688858A CN101566550B (zh) 2009-05-15 2009-05-15 在计量型原子力显微镜上增加力曲线功能模块的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN2009100688858A CN101566550B (zh) 2009-05-15 2009-05-15 在计量型原子力显微镜上增加力曲线功能模块的方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN101566550A true CN101566550A (zh) 2009-10-28
CN101566550B CN101566550B (zh) 2011-08-31

Family

ID=41282812

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN2009100688858A Expired - Fee Related CN101566550B (zh) 2009-05-15 2009-05-15 在计量型原子力显微镜上增加力曲线功能模块的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN101566550B (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102662087A (zh) * 2012-05-11 2012-09-12 中国科学院长春应用化学研究所 原子力显微镜的力示踪方法
CN101706513B (zh) * 2009-11-26 2012-12-05 北京航空航天大学 一种压电陶瓷扫描管驱动器
CN110134002A (zh) * 2018-02-09 2019-08-16 中国科学院沈阳自动化研究所 一种基于超声afm闭环系统的可控深度表面缺陷加工方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6244103B1 (en) * 1999-12-16 2001-06-12 Surface/Interface, Inc. Interpolated height determination in an atomic force microscope
CN101046374A (zh) * 2007-04-11 2007-10-03 天津大学 基于原子力显微镜力曲线的纳米梁厚度的非破坏测量方法

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101706513B (zh) * 2009-11-26 2012-12-05 北京航空航天大学 一种压电陶瓷扫描管驱动器
CN102662087A (zh) * 2012-05-11 2012-09-12 中国科学院长春应用化学研究所 原子力显微镜的力示踪方法
CN102662087B (zh) * 2012-05-11 2014-01-08 中国科学院长春应用化学研究所 原子力显微镜的力示踪方法
CN110134002A (zh) * 2018-02-09 2019-08-16 中国科学院沈阳自动化研究所 一种基于超声afm闭环系统的可控深度表面缺陷加工方法
CN110134002B (zh) * 2018-02-09 2021-05-25 中国科学院沈阳自动化研究所 一种基于超声afm闭环系统的可控深度表面缺陷加工方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN101566550B (zh) 2011-08-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Fleming et al. Bridging the gap between conventional and video-speed scanning probe microscopes
CN102662111B (zh) 一种压电系数检测方法
US7941286B2 (en) Variable density scanning
CN101762368B (zh) 时变载荷作用下弹性体动态响应与振动控制试验系统
CN101566550B (zh) 在计量型原子力显微镜上增加力曲线功能模块的方法
US8726411B1 (en) Charged probe and electric fields measurement method thereof
CN1821743A (zh) 对月球表面环境就位测量的原子力显微镜检测方法及装置
CN101329247B (zh) 一种大气下扫描原子力和隧道电流联合显微镜
CN102654516A (zh) 位移检测机构及使用该位移检测机构的扫描型探头显微镜
CN101776436A (zh) 基于石英音叉的纳米测头及试样表面微观形貌测量方法
CN102692523A (zh) 悬臂的振动特性测定方法
CN103901234A (zh) 多铁性材料纳米尺度畴结构的原位集成表征装置
CN110186811B (zh) 一种沥青微观动态流变性测试方法
CN101839924A (zh) 原子力声学显微镜悬臂梁接触谐振频率追踪系统
CN107255738B (zh) 一种基于开尔文探针力显微镜的表面电势测量方法
EP2776215A1 (en) Micromanipulator arrangement
CN104865409A (zh) 基于新型音叉探针的双频原子力测试系统与方法
Du et al. A charge-amplifier based self-sensing method for measurement of piezoelectric displacement
CN104950142B (zh) 悬臂的振动特性测定方法以及悬臂的振动特性测定装置
CN1187597C (zh) 双元原子力显微镜
CN107966377B (zh) 基于仿生压电驱动原位纳米压痕/刻划测试装置
Masson et al. Study of self-sensing actuation strategies for quasi-static piezoelectric actuators
JP2014190923A (ja) アクチュエータの位置算出装置、位置算出方法及び位置算出プログラム
CN209387685U (zh) 微悬臂梁高阶谐振态控制机构及其原子力显微镜
CN107907712A (zh) 用于多探针stm的分时复用控制装置及包括其的多探针stm

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20110831

Termination date: 20210515