CN103645348A - 一种微纳米尺度耦合振动高分辨测量方法 - Google Patents

Abstract

一种微纳米尺度耦合振动高分辨测量方法。该方法基于原子力显微镜AFM成像技术，首先使钝化的AFM探针与扫描器上的光滑样品表面接触，通过高压驱动器驱动扫描器带动样品做X轴方向往复扫描运动，利用光电探测器同步检测AFM探针Z轴方向偏转过程，实现扫描器X轴方向运动引起扫描器Z轴方向耦合振动的微纳米尺度高分辨测量。

Description

一种微纳米尺度耦合振动高分辨测量方法

技术领域

本发明涉及一种基于原子力显微镜AFM的微纳米尺度耦合振动高分辨测量方法。

背景技术

原子力显微镜（Atomic Force Microscope,AFM）快速扫描技术是近年来迅速发展的热门研究方向（T.Ando,“High-speed atomic force microscopy coming of age”,Nanotechnology,2012,23:06200-062028.）。扫描速率的提高不仅能减少扫描时间，提高运行效率，更重要的是能弥补普通AFM由于扫描速率慢（1秒/帧），不能实时观测生物样本动态变化的不足。

扫描器作为AFM系统关键部件之一，其快速运动性能对AFM成像效果起决定作用。目前AFM快速扫描技术采用的扫描器一般为压电陶瓷管，压电陶瓷堆，柔性铰链平板扫描器或石英音叉。上述扫描器在进行X轴方向快速扫描运动时，均不同程度地存在多轴耦合振动现象，其中Z轴方向的耦合振动会明显影响探针与样品表面的作用力，从而影响AFM成像效果。

为定量分析扫描器耦合振动对AFM成像的影响，并进一步消除其耦合振动，除了通过有限元仿真计算其振动模态外，需要对其耦合振动进行高精度的实际测量。对于扫描器的微纳米量级振动，一般采用电容传感器（黄向东,刘立丰,谭久彬,马标.调幅式电容位移传感器的峰值检波电路设计.光学精密工程,20,11,2444-2449,(2012).）或激光测振仪（中国专利201310257681.5，中国专利201310252759.4）测量其真实的振动模态。然而电容传感器受其响应带宽影响，振动测量频率一般小于100kHz；激光测振仪则受其价格影响，高分辨力和高动态检测范围需要高昂的价格才能实现。

AFM微悬臂梁探针具有纳米级三维分辨力且谐振频率高达百KHz以上直至数MHz，AFM除了用于样品表面形貌三维表征外，也可用于振动测量，如徐临燕等（徐临燕，栗大超，刘瑞鹏等，基于轻敲模式AFM的纳米振动表征方法.压电与声光,32,4,677-681,2010.）利用AFM在轻敲模式下实现了Z方向1MHz频率纳米级微振动测量，其给样品Z方向施加1MHz高频激励，通过测量探针的振幅和相位得到样品Z方向振动模态。目前AFM测振方法只针对单轴方向测振（如Z轴方向），对于多轴耦合（如X轴方向运动引起的Z轴方向振动）测量则未见报道。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术测量振动带宽太窄或成本太高的缺点，提供一种微纳米尺度耦合振动高分辨测量方法。

本发明测量方法基于原子力显微镜AFM成像技术，利用钝化的AFM探针接触样品光滑表面，通过光电探测器检测探针Z轴方向的偏转，实现对扫描器X轴运动引起Z轴耦合振动的高分辨测量。

本发明方法的具体步骤为：

1）设置原子力显微镜AFM自动进针过程及探针初始状态；

2）驱动扫描器X轴方向往复扫描运动；

3）确定扫描器Z轴方向耦合振动模态。

所述的原子力显微镜AFM包括光电探测器（PSD）、激光光源、步进电机、高压驱动器、探针、样品和扫描器。

所述振动模态为在某一外部激励下被激励物体在某一时刻的位移值。

所述步骤1）设置AFM自动进针过程及探针初始状态的方法为：

通过步进电机带动探针向样品表面逼近，当光电探测器检测到从探针背面反射过来的光斑信号发生偏转时，停止步进电机，原子力显微镜AFM的自动进针过程完成。为防止探针测振过程中，由于样品倾斜导致扫描时与探针脱离引起的探针自激振荡影响，通过调整扫描器Z方向伸长量，使探针始终接触样品表面。钝化的探针及光滑的样品表面能最大程度避免扫描器X轴方向扫描运动时摩擦力对探针偏转的影响。

所述步骤2）驱动扫描器X轴方向往复扫描运动方法为：

扫描器为压电式扫描器，通过高压驱动器给扫描器施加正弦波或三角波式的周期驱动信号实现X轴方向周期扫描运动。

所述步骤3）确定扫描器Z轴方向耦合振动模态的方法为：

扫描器带动样品在X轴方向以频率f_x和幅值S_x进行往复扫描运动时，通过光电探测器感应从探针背面反射回来的激光束来测量探针的Z方向偏转情况，得出扫描器Z方向耦合振动模态为

式中t为时间，A为探针Z方向偏转的振幅，ω为探针Z方向偏转的角速度，为探针Z方向偏转的初始相位角。

本发明原理是：利用钝化的原子力显微镜AFM的探针在样品光滑表面做X轴方向往复扫描运动，由于探针始终与样品表面接触，且可忽略X轴扫描方向摩擦力对探针Z轴方向偏转的影响，光电探测器测得的探针Z轴方向的偏转信号则表征了扫描器做X轴方向往复扫描运动时引起的Z轴方向耦合振动模态。

本发明具有如下优点：

本发明利用AFM探针具有纳米级高分辨力及高谐振频率等特点，且相对于激光测振仪而言具有低廉的价格，可以对具有微纳米尺度动态耦合振动现象的微位移致动器，如压电扫描器、平板扫描器等，实现耦合振动的高分辨测量。这种测量方法具有灵活、简单、精度高等优点。测量出的耦合振动模态可以用于消除扫描器扫描成像过程中引起的图像畸变，进一步提高成像精度。该测量方法对于精密仪器的振动测量，尤其是轴间耦合振动测量，具有十分重要的应用价值。

附图说明

图1为耦合振动模态测量示意图；

图中：1光电探测器（PSD），2激光光源，3步进电机，4高压驱动器，5探针，6样品和7扫描器。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

本发明方法的步骤如下：

1）设置原子力显微镜AFM自动进针过程及探针初始状态：

如图1所示，步进电机3以0.5um/s速度带动探针5向样品6表面逼近，当光电探测器1检测到从探针5背面反射过来的发射自激光光源2的光斑偏转信号超过100mv时，停止步进电机3，AFM自动进针过程完成。为防止探针5测振过程中，由于样品6倾斜导致扫描时与探针5脱离引起的探针5自激振荡影响，通过调整扫描器7的Z方向伸长量，使光电探测器1偏转电压达到400mv左右，保证探针5始终接触样品6表面。

2）驱动扫描器X轴方向往复扫描运动：

扫描器7为压电式扫描器，通过高压驱动器4给扫描器7施加峰峰值为200V，频率为100Hz的正弦波作为周期驱动信号，实现扫描器X轴方向周期扫描运动。

3）确定扫描器Z轴方向耦合振动模态：

扫描器7带动样品6与探针5始终接触的情况下做X轴方向往复扫描运动时，通过光电探测器1感应从探针5背面反射回来的激光束来测量探针5的Z方向偏转情况，得出扫描器Z方向耦合振动模态为S(t)＝0.023sin(200πt-1.762)um。

Claims (3)

1.一种微纳米尺度耦合振动高分辨测量方法，其特征在于，所述的测量方法基于原子力显微镜成像技术，利用钝化的原子力显微镜的探针接触样品的光滑表面，通过光电探测器检测探针Z轴方向的偏转，实现对扫描器X轴运动引起Z轴耦合振动的高分辨测量。

2.根据权利要求1微纳米尺度耦合振动高分辨测量方法，其特征在于，所述的测量方法包括以下步骤：

1）设置原子力显微镜自动进针过程及探针初始状态；

2）驱动扫描器X轴方向往复扫描运动；

3）确定扫描器Z轴方向耦合振动模态；

所述步骤1）设置原子力显微镜自动进针过程及探针初始状态的方法为：

通过步进电机（3）带动探针（5）向样品（6）的表面逼近，当光电探测器（1）检测到从探针（5）背面反射过来的发射自激光光源（2）的光斑偏转信号100mv时，停止步进电机（3），原子力显微镜的自动进针过程完成；调整扫描器Z方向伸长量，使探针（5）始终接触样品（6）的表面；

所述步骤2）驱动扫描器X轴方向往复扫描运动方法为：

通过高压驱动器（4）给扫描器（7）施加峰峰值为200V，频率为100Hz的正弦波作为周期驱动信号，实现扫描器X轴方向周期扫描运动；

所述步骤3）确定扫描器Z轴方向耦合振动模态的方法为：

扫描器（7）带动样品（6）在与探针5始终接触的情况下，在X轴方向以频率f_x和幅值S_x进行往复扫描运动时，通过光电探测器（1）感应从探针（5）背面反射回来的激光束来测量探针（5）的Z方向偏转情况，得出扫描器Z方向耦合振动模态为

式中t为时间，A为探针Z方向偏转的振幅，ω为探针Z方向偏转的角速度，

为探针Z方向偏转的初始相位角。

3.根据权利要求2所述的微纳米尺度耦合振动高分辨测量方法，其特征在于，所述的步骤2）得到的扫描器Z方向耦合振动模态为S(t)＝0.023sin(200πt-1.762)um。