CN101592582A - 一种适用于轻敲模式原子力显微镜针尖与样品间距的检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于轻敲模式原子力显微镜针尖与样品间距的检测装置，该检测装置是在现有原子力显微镜的PID控制器上分别连接有DDS信号发生电路和锁相放大电路，以及对探测器进行改进，本发明中的探测器由双臂石英音叉和探针组成。在信息检测方面本发明采用激励电压信号作为驱动音叉振动的方式，然后通过检测流经音叉的电流来确定针尖与样品之间的距离。本发明提出的距离检测采用锁相放大的处理手段，在得到样品形貌图像的同时可以得到相位图像。本发明设计的探测器的结构更加简单、体积小、可靠性高。

Description

一种适用于轻敲模式原子力显微镜针尖与样品间距的检测装置

技术领域

本发明涉及一种对距离的检测装置，更特别地说，是指一种适用于轻敲模式原子力显微镜针尖与样品间距的检测装置。

背景技术

1986年，Binnig和Quate发明了原子力显微镜(Atomic Force Microscope，AFM)。原子力显微镜利用在一个柔性悬臂梁上的很细的探针接近被测表面，当被测表面做横向扫描时，表面高低起伏变化改变了表面和探针的间距，从而改变了两者间的相互作用力——原子力，通过纵向移动针尖或样品，保持恒定的原子力来测量表面轮廓，分辨率可达纳米量级。

作用在样品与针尖之间的原子力的检测与反馈控制是原子力显微镜的一个重要组成部分。它使得针尖能够保持在样品上方的一个恒定的高度上。对于原子间作用力的检测方式可以分为三种：接触式、非接触式和轻敲模式。

清华大学学报(自然科学版)2001年第41卷第6期中公开了一种敲击模式扫描近场光学显微镜。该显微镜在有电压激励时，双压电晶片发生振动，从而驱动音叉和探针在垂直样品的方向上振动，通过音叉两个电极之间的电压差，获得针尖与样品之间的距离。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于轻敲模式原子力显微镜针尖与样品间距的检测装置，该检测装置采用激励电压信号作为驱动音叉振动的方式，然后通过检测流经音叉的电流来确定针尖与样品之间的距离。本发明提出的距离检测采用锁相放大的处理手段，在得到样品形貌图像的同时可以得到相位图像。本发明设计的探测器的结构更加简单、体积小、可靠性高。

本发明设计的轻敲模式原子力显微镜在具有一般显微镜的扫描器、PID控制器和探测器以外，还在PID控制器上分别连接有DDS信号发生电路和锁相放大电路。

DDS信号发生电路根据PID控制器输出的控制频率F产生激励电压信号R(t)，该激励电压信号R(t)一方面作用在探测器上，另一方面作用在锁相放大电路上。

锁相放大电路包括有检测通道部分和参考通道部分。其中，检测通道部分的信息处理为：第一运算放大器11对接收的实时检测电流信号X(t)进行电流与电压的转换处理得到电压信号f₁₁输出；带通滤波器12对接收的电压信号f₁₁进行滤除带外噪声处理后得到振动电压信号f₁₂；第一乘法器13对接收的振动电压信号f₁₂和激励电压信号R(t)进行模拟乘法运算得到第一混频信号f₁₃；第一低通滤波器14对接收的第一混频信号f₁₃进行滤除高频分量处理，得到第一差频信号f₁₄；第二运算放大器15对接收的第一差频信号f₁₄进行幅度调理，得到同相电压信号I(t)输出。

其中，参考通道部分的信息处理为：移相电路21对接收的激励电压信号R(t)进行移相π/2处理，得到移相信号f₂₁；第二乘法器22对接收的移相信号f₂₁和振动电压信号f₁₂进行模拟乘法运算得到第二混频信号f₂₂；第二低通滤波器23对接收的第二混频信号f₂₂进行滤除高频分量处理，得到第二差频信号f₂₃；第三运算放大器24对接收的第二差频信号f₂₃进行幅度调理，得到正交电压信号Q(t)输出。

本发明设计的由双臂石英音叉1和探针2组成，探针2粘接在双臂石英音叉1的B支臂1b的端部，且针尖向下，针尖与样品台3的间距记为d，d＝1nm～100nm。本发明选取的探针2可以是一段单模光纤或者金属丝(如钨丝、铂铱丝等)，探针2的针尖可以采用化学腐蚀工艺制成锥形。本发明选取的双臂石英音叉1的连接端1c安装在轻敲模式原子力显微镜的一个支架上。在加载有激励电压信号R(t)时，双臂石英音叉1的A支臂1a和B支臂1b将产生反向对称形式的振动，然后通过锁相放大电路实时检测双臂石英音叉1在振动时产生的电流X(t)。

本发明的针尖与样品之间间距的检测装置的优点在于：

(1)采用DDS信号发生电路产生的激励电压信号去驱动双臂石英音叉，改变了现有采用双压电晶片产生振动的方式，提高了双臂石英音叉振幅的可控性，从而使得探测器的针尖与样品的间距控制精度得到提高。

(2)在锁相放大电路中采用双通道模式分别对激励电压信号和实时检测电流信号进行处理，能够同时获得样品形貌图像和相位图像，扩大了原子力显微镜的使用范围。

(3)对锁相放大电路输出的两路具有相位差π/2的同相信号和正交信号能够控制扫描器的Z向扫描精度。

(4)通过PID控制器输出的频率控制信号对DDS信号发生电路进行频率控制，有利于提高激励电压信号的频率精度，频率精度可达0.1Hz。

(5)由于本发明的轻敲模式原子力显微镜采用电路形式实现针尖与样品之间间距的自感知检测，结构简单、体积小、功耗低。

(6)本发明设计的适用于轻敲模式原子力显微镜的针尖与样品之间间距检测装置，能够应用于太空环境。

附图说明

图1是本发明检测装置的结构框图。

图2是本发明锁相放大电路的处理结构框图。

图2A和图2B是本发明锁相放大电路的电路原理图。

图3是本发明探测器与样品台的装配图。

图3A是本发明探测器与样品台的主视图。

图4是本发明轻敲模式原子力显微镜扫描得到的二维光栅样品形貌图像。

图5是本发明轻敲模式原子力显微镜扫描得到的二维光栅样品相位图像。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图1所示，本发明设计的轻敲模式原子力显微镜在具有一般显微镜的扫描器、PID控制器和探测器以外，还在PID控制器上分别连接有DDS信号发生电路和锁相放大电路。安装有DDS信号发生电路和锁相放大电路的原子力显微镜除了能够实现原有原子力显微镜的功能以外，还能够实现对探测器中针尖与样品之间的间距d进行检测，这也是本发明专利申请要保护的内容，一种适用于轻敲模式原子力显微镜针尖与样品间距的检测装置。

(一)扫描器

在本发明中，扫描器接收PID控制器输出的控制启动指令，并按照该控制启动指令对样品进行三维扫描，获取样品的形貌信息。

(二)PID控制器

在本发明中，PID控制器第一方面输出控制频率F给DDS信号发生电路；第二方面对接收的锁相放大电路输出的同相电压信号I(t)和正交电压信号Q(t)进行合并后输出控制频率F；第三方面输出的控制启动指令给扫描器。在控制频率F下产生的激励电压信号R(t)能够调节控制针尖与样品之间的间距恒定。

(三)探测器

参见图3、图3A所示，本发明设计的由双臂石英音叉1和探针2组成，探针2粘接在双臂石英音叉1的B支臂1b的端部，且针尖向下，针尖与样品台3的间距记为d，d＝1nm～100nm。本发明选取的探针2可以是一段单模光纤或者金属丝(如钨丝、铂铱丝等)，探针2的针尖可以采用化学腐蚀工艺制成锥形。本发明选取的双臂石英音叉1的连接端1c安装在轻敲模式原子力显微镜的一个支架上。在加载有激励电压信号R(t)时，双臂石英音叉1的A支臂1a和B支臂1b将产生反向对称形式的振动，然后通过锁相放大电路实时检测双臂石英音叉1在振动时产生的电流X(t)。

(四)DDS信号发生电路

在本发明中，DDS信号发生电路根据PID控制器输出的控制频率F产生激励电压信号R(t)，该激励电压信号R(t)一方面作用在探测器上，另一方面作用在锁相放大电路上。在本发明中，DDS信号发生电路采用AD公司生产的AD9831芯片，该AD9831芯片的一输入接口与PID控制器连接，实现接收控制频率F，该AD9831芯片的其中一输出接口与探测器连接，实现在激励电压信号R(t)下使双臂石英音叉1的A支臂1a和B支臂1b产生反向对称形式的振动，该AD9831芯片的另一输出接口与锁相放大电路连接，从而通过锁相放大电路对实时采集的电流信号与接收的激励电压信号R(t)分别进行锁相与幅值提取。由于说明了选取的芯片型号，以及相对简单的一进两出的连接方式，故发明人未对DDS信号发生电路的电路原理图进行说明。

(五)锁相放大电路

参见图2所示，锁相放大电路包括有检测通道部分和参考通道部分。其中，检测通道部分的信息处理为：

第一运算放大器11对接收的实时检测电流信号X(t)进行电流与电压的转换处理得到电压信号f₁₁输出；

带通滤波器12对接收的电压信号f₁₁进行滤除带外噪声处理后得到振动电压信号f₁₂；

第一乘法器13对接收的振动电压信号f₁₂和激励电压信号R(t)进行模拟乘法运算得到第一混频信号f₁₃；

第一低通滤波器14对接收的第一混频信号f₁₃进行滤除高频分量处理，得到第一差频信号f₁₄；

第二运算放大器15对接收的第一差频信号f₁₄进行幅度调理，得到同相电压信号I(t)输出。

其中，参考通道部分的信息处理为：

移相电路21对接收的激励电压信号R(t)进行移相π/2处理，得到移相信号f₂₁；

第二乘法器22对接收的移相信号f₂₁和振动电压信号f₁₂进行模拟乘法运算得到第二混频信号f₂₂；

第二低通滤波器23对接收的第二混频信号f₂₂进行滤除高频分量处理，得到第二差频信号f₂₃；

第三运算放大器24对接收的第二差频信号f₂₃进行幅度调理，得到正交电压信号Q(t)输出。

锁相放大电路的电路原理图如图2A、图2B所示，锁相放大电路接收的实时检测电流信号X(t)被连接到第一运算放大器OP27AZ芯片U1的2端，芯片U1的2端通过电容C1连接U1的6端；

U1的2端通过电阻R1、电阻R2、电阻R3分别连接到通路选择开关P4的1端、3端、5端，通路选择开关P4的2端、4端、6端连接到芯片U1的6端；

芯片U1的3端经电阻R5接模拟地，芯片U1的4端连+15V电源，芯片U1的7端接-15V电源；

芯片U1的6端分别与第一平衡调制解调AD630KN芯片U4的2端、16端，以及第二平衡调制解调AD630KN芯片U5的2端、16端连接。

锁相放大电路接收的激励电压信号R(t)经电阻R7连接到第二运算放大器OP27AZ芯片U2的2端，同时激励电压信号R(t)经可调电阻R11连接到第二运算放大器OP27AZ芯片U2的3端，可调电阻R11的1端与3端相连；第二运算放大器OP27AZ芯片U2的3端经电容C2接模拟地。

U2的2端通过R6连接到U2的6端，4端连接到+15V电源，7端连接到-15V电源。

U2的6端连接到第一平衡调制解调AD630KN芯片U4的10端。

第一平衡调制解调AD630KN芯片U4的20端、19端和15端相连，使第一平衡调制解调AD630KN芯片U4工作在解调模式下；

U4的18端、9端和14端接模拟地。

U4的8端接-15V电源，U4的11端接+15V电源。

U4的12端与13端相接后，并通过两级低通滤波后连接在运算放大器OP27AZ芯片U22的3端；

电阻R27与电容C23构成第一级低通滤波电路；

电阻R28与电容C24构成第二级低通滤波电路；

通过R27和R28连接到U22的3端。

锁相放大电路接收的激励电压信号R(t)经第二平衡调制解调AD630KN芯片的10端输入，U5的20端、19端和15端相连，使第二平衡调制解调AD630KN芯片U5工作在解调模式下；

U5的18端、9端和14端接模拟地。

U5的8端接-15V电源，U5的11端接+15V电源。

U5的12端与13端相接后，并通过两级低通滤波后连接在运算放大器OP27AZ芯片U24的3端；

电阻R15与电容C17构成第一级低通滤波电路；

电阻R16与电容C18构成第二级低通滤波电路；

运算放大器OP27AZ芯片U22的2端经电阻R26后接模拟地，且2端通过电阻R22与6端连接，4端接+15V电源，7端接-15V电源，6端通过电阻R24和低通滤波电路后与运算放大器OP27AZ芯片U21的3端连接。

电阻R25与电容C22构成低通滤波电路；

电阻R24与电阻R25之间连接有电容C21的1端，电容C21的2端与U21的6端连接。

运算放大器OP27AZ芯片U21的2端经电阻R23后接模拟地，4端接+15V电源，7端接-15V电源，2端通过电阻R22后与6端连接，该6端用于输出正交信号Q(t)给PID控制器。

运算放大器OP27AZ芯片U24的2端经电阻R14后接模拟地，且2端通过电阻R10与6端连接，4端接+15V电源，7端接-15V电源，6端通过电阻R12和低通滤波电路后与运算放大器OP27AZ芯片U23的3端连接。

电阻R13与电容C16构成低通滤波电路；

电阻R12与电阻R13之间连接有电容C15的1端，电容C15的2端与U23的6端连接。

运算放大器OP27AZ芯片U23的2端经电阻R11后接模拟地，4端接+15V电源，7端接-15V电源，2端通过电阻R19后与6端连接，该6端用于输出同相电压信号I(t)给PID控制器。

本发明的一种适用于轻敲模式原子力显微镜针尖与样品间距的检测装置，当激励电压信号R(t)驱动双臂石英音叉共振时，音叉达到最大振幅，由于压电效应此时流过音叉的电流幅度最大。如果光纤探针接近样品，针尖与样品之间会产生相互作用的原子力，音叉的振幅减小，流过音叉的电流也随之减小。通过检测流过音叉电流的变化，就可实现样品针尖间距的检测与距离控制。此外检测电流与参考信号的相位差变化或者电流幅度及相位的一同变化也可以实现探针与样品之间的距离控制。

为了验证本发明的间距检测装置，选取臂长为3mm～6mm长的双臂石英音叉，由凯擎东光电子公司(KOAN)生产的引线型晶体谐振器K-3×8或K-2×6去掉金属外壳得到。将光纤探针按照图3所示粘接在音叉臂的顶端端面上。将音叉的底座粘接在原子力显微镜的本体上。通过导线使音叉的两个电极分别与DDS信号发生电路的输出端和锁相放大电路的输入端连接。

预调节光纤探针与样品台的间距d，使光纤探针缓慢逼近样品直到d＝100nm。

设定扫描器的扫描范围10μm×10μm，设定PID控制器的P和I的参数。

工作时，先根据PID控制器产生的频率控制信号F来调节DDS信号发生电路产生的激励电压信号R(t)的频率，探测器在激励电压信号R(t)的条件下对针尖与样品间的距离进行检测，PID控制器通过调节扫描器的Z向输出来维持针尖与样品间的距离恒定；通过记录扫描器的Z向输出值，获取样品的形貌图像(图4所示)。通过记录检测电流信号X(t)与激励电压信号R(t)之间的相位差，来获取样品的相位图像(图5所示)。

Claims (5)

1、一种适用于轻敲模式原子力显微镜针尖与样品间距的检测装置，该轻敲模式原子力显微镜包括有扫描器、PID控制器，其特征在于：还包括有探测器、DDS信号发生电路和锁相放大电路；

探测器由双臂音叉(1)和探针(2)组成，探针(2)粘接在双臂音叉(1)的B支臂(1b)的端部，且针尖向下，针尖与样品台(3)的间距记为d，d＝1nm～100nm；探针(2)的针尖为锥形；双臂音叉(1)的连接端(1c)安装在轻敲模式原子力显微镜的一个支架上；在加载有激励电压信号R(t)时，双臂音叉(1)的A支臂(1a)和B支臂(1b)将产生剪切形式的振动，然后通过锁相放大电路实时检测双臂音叉(1)在振动时产生的电流X(t)；

DDS信号发生电路根据PID控制器输出的控制频率F产生激励电压信号R(t)，该激励电压信号R(t)一方面作用在探测器上，另一方面作用在锁相放大电路上；

锁相放大电路包括有检测通道部分和参考通道部分；

所述的检测通道部分的信息处理为：第一运算放大器11对接收的实时检测电流信号X(t)进行电流与电压的转换处理得到电压信号f₁₁输出；带通滤波器12对接收的电压信号f₁₁进行滤除带外噪声处理后得到振动电压信号f₁₂；第一乘法器13对接收的振动电压信号f₁₂和激励电压信号R(t)进行模拟乘法运算得到第一混频信号f₁₃；第一低通滤波器14对接收的第一混频信号f₁₃进行滤除高频分量处理，得到第一差频信号f₁₄；第二运算放大器15对接收的第一差频信号f₁₄进行幅度调理，得到同相电压信号1(t)输出；

所述的参考通道部分的信息处理为：移相电路21对接收的激励电压信号R(t)进行移相π/2处理，得到移相信号f₂₁；第二乘法器22对接收的移相信号f₂₁和振动电压信号f₁₂进行模拟乘法运算得到第二混频信号f₂₂；第二低通滤波器23对接收的第二混频信号f₂₂进行滤除高频分量处理，得到第二差频信号f₂₃；第三运算放大器24对接收的第二差频信号f₂₃进行幅度调理，得到正交电压信号Q(t)输出。

2、根据权利要求1所述的适用于轻敲模式原子力显微镜针尖与样品间距的检测装置，其特征在于：双臂石英音叉(1)选取凯擎东光电子公司生产的K-3×8或K-2×6引线型晶体谐振器。

3、根据权利要求1所述的适用于轻敲模式原子力显微镜针尖与样品间距的检测装置，其特征在于：DDS信号发生电路选取AD公司生产的AD9831芯片。

4、根据权利要求1所述的适用于轻敲模式原子力显微镜针尖与样品间距的检测装置，其特征在于：探针(2)是一段单模光纤或者金属丝。

5、根据权利要求1所述的适用于轻敲模式原子力显微镜针尖与样品间距的检测装置，其特征在于：对针尖与样品台(3)之间间距d的检测采用了锁相放大的处理手段，在得到样品形貌图像的同时也得到了相位图像。

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