CN104865409A - 基于新型音叉探针的双频原子力测试系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及形貌和机械特性同时测量的测试系统，为获取样品高度值和以频移量表征的表面机械特性信息，本发明采取的技术方案是，基于新型音叉探针的双频原子力测试系统，包括：音叉探针、前置放大器、信号发生器、信号合成电路、包含低通和高通滤波器的信号分离电路、交直流转换器、锁相环、反馈控制器、数据采集卡、计算机、数模转换器、模数转换器、三维压电位移台控制器，信号发生器和锁相环输出到前置放大器，前置放大器向音叉探针输出交变电压，音叉探针自振频率信号依次经前置放大器、信号分离电路中的高通滤波器、交直流转换器、模数转换器输出到反馈控制器。本发明主要应用于形貌和机械特性测量。

Description

基于新型音叉探针的双频原子力测试系统与方法

技术领域

本发明涉及一种形貌和机械特性同时测量的测试系统。特别是基于音叉探针的原子力测试系统与方法。

背景技术

以扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)为主要成员的扫描探针显微镜(SPM)族是当今科学研究中进行微/纳米尺度观测的重要手段。随着其技术的进步与各种需求的出现，SPM也从单纯的观测仪器向其它功能拓展，机械特性测试就是其中之一。STM只能在导体表面探测，而AFM利用了被测表面与探针针尖之间原子力的相互作用这一物理现象，因而能在非导体表面探测，适应性强，且测量速度可以比较高。基于这样一些优点，AFM成为唯一在工业测量领域得到广泛应用的SPM。

石英音叉式探针是新出现的原子力探针。它不依赖于光学方法检测悬臂偏转，而通过电学方法感知探针上作用力的变化。石英音叉式探针的音叉由石英晶体制成，在交变电压的作用下，音叉做平面内的张合运动。一个特殊设计的悬臂梁结构将这种平面运动转换成探针在垂直方向的振动。探针上作用力的变化会导致石英音叉自振频率的变化，反之，通过检测自振频率变化即可得到探针上作用力的变化。

发明内容

为克服技术的不足，提供一种获取样品高度值和以频移量表征的表面机械特性信息的方法，为此，本发明采取的技术方案是，基于新型音叉探针的双频原子力测试系统，包括：音叉探针、前置放大器、信号发生器、信号合成电路、包含低通和高通滤波器的信号分离电路、交直流转换器、锁相环、反馈控制器、数据采集卡、计算机、数模转换器、模数转换器、三维压电位移台控制器，信号发生器和锁相环输出到前置放大器，前置放大器向音叉探针输出交变电压，音叉探针自振频率信号依次经前置放大器、信号分离电路中的高通滤波器、交直流转换器、模数转换器输出到反馈控制器，反馈控制器输出的控制信号经数模转换器驱动三维压电位移台控制器，从而带动三维压电位移台上的音叉探针运动；反馈控制器、三维压电位移台控制器分别于计算机相连接，前置放大器的输出还经过信号分离电路中的低通滤波器输出到锁相环，锁相环经数据采集卡输出到计算机。

反馈控制器为设置有比例积分控制器的DSP。

一种基于新型音叉探针的双频原子力测试方法，步骤如下：

1)将样品放置在三维压电位移台上，将音叉探针连接到前置放大电路，使信号发生器产生的二阶谐振信号、锁相环输出的一阶谐振信号分别经信号合成电路输出到音叉探针；

2)调节前置放大电路板上的滑动变阻器，补偿音叉探针寄生电容；

3)音叉探针产生的谐振频率信号经前置放大器、低通滤波器输出到锁相环，利用锁相环对音叉探针进行扫频，通过扫频获得的频率-幅值曲线确定音叉探针的一阶和二阶谐振频率，并通过数据线发送到计算机；

4)控制三维压电位移台使样品与新型音叉探针接近，直至接触；

5)使音叉探针产生的谐振频率信号经前置放大器、高通滤波器、交直流转换器、模数转换器输出到反馈控制器，反馈控制器内的比例积分控制器根据音叉探针产生的振幅通过数模转换电路控制三维压电位移台控制器使电位移台运动；

6)通过计算机调节反馈控制器的比例积分控制器参数，使反馈控制稳定。

1.如权利要求3所述的基于新型音叉探针的双频原子力测试方法，其特征是，反馈控制器为DSP，DSP内置有比例积分控制器PI进行反馈计算；信号合成电路为模拟加法器。

与已有技术相比，本发明的技术特点与效果：

本发明采用音叉探针和双谐振的方式，实现了对被测物体机械特性及几何尺寸的测量，具有自动化程度高，精度高的特点。

附图说明

图1测试系统结构图。

具体实施方式

以扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)为主要成员的扫描探针显微镜(SPM)族是当今科学研究中进行微/纳米尺度观测的重要手段。随着其技术的进步与各种需求的出现，SPM也从单纯的观测仪器向其它功能拓展，机械特性测试就是其中之一。STM只能在导体表面探测，而AFM利用了被测表面与探针针尖之间原子力的相互作用这一物理现象，因而能在非导体表面探测，适应性强，且测量速度可以比较高。基于这样一些优点，AFM成为唯一在工业测量领域得到广泛应用的SPM。

石英音叉式探针是新出现的原子力探针。它不依赖于光学方法检测悬臂偏转，而通过电学方法感知探针上作用力的变化。石英音叉式探针的音叉由石英晶体制成，在交变电压的作用下，音叉做平面内的张合运动。一个特殊设计的悬臂梁结构将这种平面运动转换成探针在垂直方向的振动。探针上作用力的变化会导致石英音叉自振频率的变化，反之，通过检测自振频率变化即可得到探针上作用力的变化。

一种以新型音叉探针为传感器、使用两种频率激励探针的原子力测试系统与方法。系统包括新型音叉探针及前置放大电路板构成的原子力测头、锁相环、信号合成与分离电路、反馈控制器、信号发生器、数据采集卡与三维压电位移台。信号合成电路由模拟加法器构成，信号分离电路由高通、低通滤波器构成。

测试系统如图1所示，其中，1.为原子力测头，包括的新型音叉探针为美国Nanosensors公司的A-Probe音叉探针，前置放大电路板为该公司音叉探针控制器附带的电路板；2.为信号分离电路，包括低通和高通滤波器；3.为反馈控制器，以数字信号处理器DSP为核心，将输入的信号经过交-直流转换、模数转换AD后输入DSP，经过PI反馈计算，通过数模转换DA输出控制信号；信号合成电路为模拟加法器；数据采集卡使用美国National Instrument公司的NI USB6259BNC数据采集卡；三维压电位移台4.使用德国PI公司的P733.3DD及其配套控制器XX。

探针由簧片夹持在前置放大电路板上。锁相环的压控振荡器和信号发生器输出信号分别接入信号合成电路的两个输入端，信号合成电路的输出信号接入前置放大电路板的输入端，前置放大电路板输出信号接入信号分离电路。信号分离电路的高通滤波器的输出端接入反馈控制器，反馈控制器输出端接入三维压电位移台控制器的Z轴；低通滤波器输出端接入锁相环的输入端，锁相环输出的频移信号Δf接入数据采集卡，反映样品的机械特性。三维压电位移台通过控制器USB接口与计算机相连，输出样品高度信息。数据采集卡通过USB与计算机相连。反馈控制器通过RS232串口与计算机相连。

测试过程如下：

1、将样品放置在三维压电位移台上，将新型音叉探针安装在前置放大电路板上，完成系统接线。

2、按照新型音叉探针说明书中的方法，调节前置放大电路板上的滑动变阻器，补偿寄生电容。

3、通过扫频确定新型音叉探针的一阶和二阶谐振频率，信号发生器输出二阶谐振频率，锁相环输出一阶谐振频率。低频用于探测样品机械特征，高频用于探测样品表面高度信息。

4、控制三维压电位移台使样品与新型音叉探针接近，直至接触。

5、计算机控制三维压电位移台进行扫描。

6、通过计算机调节反馈控制器的PI参数，使反馈控制稳定。

Claims (4)

1.一种基于新型音叉探针的双频原子力测试系统，其特征是，包括：音叉探针、前置放大器、信号发生器、信号合成电路、包含低通和高通滤波器的信号分离电路、交直流转换器、锁相环、反馈控制器、数据采集卡、计算机、数模转换器、模数转换器、三维压电位移台控制器，信号发生器和锁相环输出到前置放大器，前置放大器向音叉探针输出交变电压，音叉探针自振频率信号依次经前置放大器、信号分离电路中的高通滤波器、交直流转换器、模数转换器输出到反馈控制器，反馈控制器输出的控制信号经数模转换器驱动三维压电位移台控制器，从而带动三维压电位移台上的音叉探针运动；反馈控制器、三维压电位移台控制器分别于计算机相连接，前置放大器的输出还经过信号分离电路中的低通滤波器输出到锁相环，锁相环经数据采集卡输出到计算机。

2.如权利要求1所述的基于新型音叉探针的双频原子力测试系统，其特征是，反馈控制器为设置有比例积分控制器的DSP。

3.一种基于新型音叉探针的双频原子力测试方法，其特征是，步骤如下：

1)将样品放置在三维压电位移台上，将音叉探针连接到前置放大电路，使信号发生器产生的二阶谐振信号、锁相环输出的一阶谐振信号分别经信号合成电路输出到音叉探针；

2)调节前置放大电路板上的滑动变阻器，补偿音叉探针寄生电容；

3)音叉探针产生的谐振频率信号经前置放大器、低通滤波器输出到锁相环，利用锁相环对音叉探针进行扫频，通过扫频获得的频率-幅值曲线确定音叉探针的一阶和二阶谐振频率，并通过数据线发送到计算机；

4)控制三维压电位移台使样品与新型音叉探针接近，直至接触；

5)使音叉探针产生的谐振频率信号经前置放大器、高通滤波器、交直流转换器、模数转换器输出到反馈控制器，反馈控制器内的比例积分控制器根据音叉探针产生的振幅通过数模转换电路控制三维压电位移台控制器使电位移台运动；

6)通过计算机调节反馈控制器的比例积分控制器参数，使反馈控制稳定。

4.如权利要求3所述的基于新型音叉探针的双频原子力测试方法，其特征是，反馈控制器为DSP，DSP内置有比例积分控制器PI进行反馈计算；信号合成电路为模拟加法器。