CN101839924B - 原子力声学显微镜悬臂梁接触谐振频率追踪系统 - Google Patents
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Abstract
原子力声学显微镜悬臂梁接触谐振频率追踪系统主要用于快速获取原子力显微镜悬臂梁的接触谐振频率，进而实现原子力声学显微镜的快速弹性模量成像，属于无损检测领域。本发明基于原子力显微镜悬臂谐振曲线峰值对应的电压信号，控制压控振荡器输出谐振中心频率的正弦电压信号激励压电传感器的原理。主要包括与原子力声学显微镜悬臂梁的光电二极管探测器连接的有效值直流转换电路(RMS-DC)、与原子力声学显微镜的压电传感器连接的压控振荡器(VCO)，以及处理频率信号的DSP控制板。DSP控制板控制VCO输出谐振中心频率的正弦电压信号激励压电传感器，得到谐振曲线，进而得到谐振曲线的中心频率，实现了一种快速自动频率跟踪系统。
Description
技术领域
原子力声学显微镜悬臂梁接触谐振频率追踪系统主要用于快速获取原子力显微镜悬臂梁的接触谐振频率，进而实现原子力声学显微镜的快速弹性模量成像，属于无损检测领域。
背景技术
原子力声学显微镜(AFAM)技术，通过使原子力显微镜的悬臂梁或被测试件做超声振动，激励悬臂梁的高阶振动模态。精确测定高阶谐振频率的漂移，可很好地反映试件表面局部机械性质，如接触刚度、弹性常数、近表面缺陷等。这种技术具有很高的横向分辨率(可小于10nm)，既适用于电子封装焊点的表面及近表面缺陷检测，又可测量薄膜材料的弹性性质，是近年来无损检测界的新的研究热点。
AFAM一般是在原子力显微镜平台上搭建起来的。根据激励源的不同可分为两类，样品-AFAM(S-AFAM，样品激励)和探针-AFAM(T-AFAM，探针激励)。S-AFAM的工作方式是指AFM工作在接触模式，样品背面用耦合剂粘接压电换能器，放置在原子力显微镜支架上，将激励源接入压电换能器。T-AFAM的工作方式是指信号发生器驱动压电换能器产生一个连续的振动信号，该信号穿透样品被AFM悬臂接受，当AFM悬臂的探针接触到样品时，这种微弱振动通过探针-样品耦合传播从而激励悬臂振动。检测悬臂的振动信号，这个信号输入锁相放大器，激励源的激励信号也输入锁相放大器作为参考信号，信号经锁相放大器处理后进入计算机，应用分析软件进行分析获得试件表面形貌图和相位图。
尽管目前AFAM法可很好地反映试件表面局部机械性质，如接触刚度、弹性常数、近表面缺陷等。但由于传统的原子力声学显微镜系统采用锁相或网络分析定位技术，实际成像速度太慢。为了快速获取接触谐振频率，以便实现快速弹性模量成像，需开发一套基于DSP的谐振频率追踪系统，用于在成像过程中实时追踪谐振频率。
发明内容
本发明的目的在于，为解决传统原子力声学显微镜技术中采用锁相放大器或网络分析仪获取原子力声学显微镜悬臂梁接触谐振频率速度较慢，进而导致原子力显微镜成像慢的问题，提供一种快速获取原子力声学显微镜悬臂梁接触谐振频率的频率追踪系统。
为了实现上述目的，本发明采用了如下方案：采用DSP信号处理器件，实现一种快速自动对原子力声学显微镜悬臂梁接触谐振频率追踪的系统，主要包括DSP控制板、与原子力声学显微镜悬臂梁的光电二极管探测器连接的有效值直流转换电路(RMS-DC)、与原子力声学显微镜的压电传感器连接的压控振荡器(VCO)，其特征在于：RMS-DC将光电二极管探测器输出的交流信号转换为直流信号，输入到DSP控制板中进行信号处理；DSP控制板处理RMS-DC输入的信号，绘制出输入信号的频率谱，得到悬臂梁的中心频率；VCO作为与样品耦合的压电传感器的信号激励源，根据DSP控制板输入的控制信号，产生3kHz～3MHz的正弦波扫频到压电传感器；而且，DSP控制板根据得到的中心频率，输出一个反馈信号也至VCO，该信号调整VCO来调节振动的中心频率以维持悬臂梁响应曲线位于谐振中心。
所述DSP控制板包含DSP芯片、A/D模数转换器和D/A数模转换器、多通道数据缓冲器、复杂可编程逻辑器件(CPLD)、同步动态随机存储器(SDRAM)、闪存(FLASH)、外部时钟和串行接口，DSP控制板接收RMS-DC输入的信号，首先经过A/D模数转换器进入DSP芯片内进行信号处理，DSP芯片的工作频率由外部时钟提供，CPLD控制系统的工作时序，由FLASH和SDRAM进行片外数据存储，DSP芯片通过串行接口与电脑主机通信，信号处理后的数据经过D/A数模转换器，转变成模拟信号，输入到VCO中。并设置一路占空比调节电路接至VCO，从而调节VCO输出信号的占空比。
所述电脑主机设有人机交换界面，可根据DSP控制板传来的信息显示谐振曲线，并且可设定调节参数给DSP控制板。
另外，从DSP控制板输出的调整VCO中心频率的反馈信息，也被送至原子力显微镜的辅助成像输入端口，绘制成一个与谐振频率成比例的图像。
本发明基于原子力显微镜悬臂谐振曲线峰值对应的电压信号，采用先进的DSP信号处理器件控制压控振荡器输出谐振中心频率的正弦电压信号激励压电传感器，得到谐振曲线，进而得到谐振曲线的中心频率，实现了一种快速自动频率跟踪系统。
附图说明
图1原子力声学显微镜悬臂梁接触谐振频率追踪系统一优选实施例的结构框图；
图2图1所示实施例中DSP控制板结构示意图；
图3本发明中DSP控制板对原子力声学显微镜悬臂梁振动频率信号处理的流程图
图4压控振荡器的工作示意图。
具体实施方式
下面结合附图通过具体实施例对本发明作进一步的说明，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此来限定本发明的保护范围。本实施例的总体结构框图如图1所示，具体工作过程如下：
1)DSP控制板中发出扫频信号，控制VCO产生一振幅可调扫频正弦波传递到压电传感器，压电传感器上放置样品。
2)该信号穿透样品被原子力显微镜中的悬臂梁接受。当悬臂梁上的探针接触到样品时，这种微弱振动通过探针-样品耦合传播从而激励悬臂振动。光电二极管探测器探测到悬臂梁的振动幅度，将这一信号送至有效值直流转换电路板。
3)在有效值直流转换电路板内，交流振动信号转换成有效值直流电压信号，然后传送至DSP控制板中，DSP控制板读取这一信号，存储起来。每次扫描完成后，构建一个完整的谐振曲线，找到谐振曲线中的峰值。并将这一信息以电压信号的形式通过一反馈控制环路送至VCO，调整VCO来调节振动的中心频率以维持悬臂响应曲线位于谐振中心。
4)用于调节VCO的中心频率的反馈电压信号，也被送至原子力显微镜的辅助成像输入端口，绘制成一个与谐振频率成比例的图像。
本发明的核心硬件为DSP控制板，包含DSP芯片、A/D、D/A、多通道数据缓冲器、CPLD、SDRAM、FLASH、外部时钟和串行接口等器件，DSP控制板结构如图2所示。首先RMS-DC输入的信号经过A/D模数转换进入DSP芯片内进行信号处理，DSP芯片的工作频率由外部时钟提供，CPLD控制系统的工作时序。由FLASH和SDRAM进行片外数据存储。DSP芯片通过串行接口与电脑主机通信，信号处理后的数据经过D/A数模转换，转变成模拟信号，输入到VCO中。
本发明的核心技术主要是，DSP控制板读取经过有效值直流转换电路后的原子力显微镜悬臂谐振曲线信号，找到其峰值，并反馈与之对应的电压信号，控制VOD输出谐振中心频率的正弦电压信号激励压电传感器，实现了一种快速自动频率跟踪方案。DSP控制板的信号处理流程图，如图3所示。
本发明中作为压电传感器的信号激励源是一个压控振荡器(VCO)，给VCO输入一个电压信号，VCO输出一定频率的正弦波，增大输入电压信号的幅值，相应的VCO输出的正弦波的频率也增大。。VCO工作时需要的外围条件如图4所示。首先DSP控制板输出一扫频信号(即电压幅值变化的信号)至VCO，VCO产生扫频正弦信号，激励压电传感器。然后DSP控制板通过A/D采样、信号处理后，反馈悬臂梁谐振中心频率对应的电压信号至VCO，VCO产生谐振频率下的正弦信号激励压电传感器。另有一路占空比调节电路，可调节VCO输出信号的占空比。
Claims (5)
1.原子力声学显微镜悬臂梁接触谐振频率追踪系统，主要包括DSP控制板、与原子力声学显微镜悬臂梁的光电二极管探测器连接的有效值直流转换电路RMS-DC、与原子力声学显微镜的压电传感器连接的压控振荡器VCO，其特征在于：有效值直流转换电路RMS-DC将光电二极管探测器输出的交流信号转换为直流信号，输入到DSP控制板中进行信号处理；DSP控制板处理有效值直流转换电路RMS-DC输入的信号，绘制出输入信号的频率谱，得到悬臂梁的中心频率；压控振荡器VCO作为与样品耦合的压电传感器的信号激励源，根据DSP控制板输入的控制信号，产生3kHz～3MHz的正弦波扫频到压电传感器；而且，DSP控制板根据得到的中心频率，输出一个反馈信号也至压控振荡器VCO，该反馈信号调整压控振荡器VCO来调节振动的中心频率以维持悬臂梁响应曲线位于谐振中心。
2.如权利要求1所述的原子力声学显微镜悬臂梁接触谐振频率追踪系统，其特征在于：所述DSP控制板包含DSP芯片、经一个多通道数据缓冲器与DSP芯片连接的A/D模数转换器、经另一个多通道数据缓冲器与DSP芯片连接的D/A数模转换器、与DSP芯片连接的同步动态随机存储器SDRAM和闪存FLASH、与DSP芯片连接的外部时钟和串行接口，以及与DSP芯片连接的复杂可编程逻辑器件CPLD；DSP控制板接收有效值直流转换电路RMS-DC输入的信号，首先经过A/D模数转换器转换成数字信号送到一个多通道数据缓冲器，然后进入DSP芯片内进行信号处理，DSP芯片的工作频率由外部时钟提供，复杂可编程逻辑器件CPLD控制系统的工作时序，由闪存FLASH和同步动态随机存储器SDRAM进行片外数据存储，DSP芯片通过串行接口与电脑主机通信，信号处理后的数据经过另一个多通道数据缓冲器，然后到D/A数模转换器转变成模拟信号，输入到压控振荡器VCO中。
3.如权利要求2所述的原子力声学显微镜悬臂梁接触谐振频率追踪系统，其特征在于：所述电脑主机设有人机交换界面，能够根据DSP控制板传来的信息显示谐振曲线，并且设定调节参数给DSP控制板。
4.如权利要求1所述的原子力声学显微镜悬臂梁接触谐振频率追踪系统，其特征在于：设置有一路占空比调节电路接至压控振荡器VCO，从而调节压控振荡器VCO输出信号的占空比。
5.如权利要求1-4中任一项所述的原子力声学显微镜悬臂梁接触谐振频率追踪系统，其特征在于：从DSP控制板输出的调整压控振荡器VCO中心频率的反馈信息，也被送至原子力显微镜的辅助成像输入端口，绘制成一个与谐振频率成比例的图像。
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