CN108693384A - 一种无线控制式微小型原子力显微成像方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无线控制式微小型原子力显微成像方法及装置。包括微小型原子力显微成像探头、微小型电路、嵌入式系统和手提电脑。微小型电路由前置放大模块、扫描与反馈控制电路、移动电源组成；嵌入式系统由DA模块、AD模块、树莓派微型电脑组成，本发明的优点是：原子力显微成像探头及装置系统整体微小型化，无需交流市电供电，也无需专用的直流低压电源和直流高压电源，在移动电源供电之下，通过WIFI无线数据传输方式，即可实现微纳米样品的原子力显微成像，克服了常规原子力显微镜的局限性，为在野外考察、隔离环境、真空条件、气体氛围环境等特殊领域中实现样品的原子力显微成像提供了新的技术及应用途径。
Description
技术领域
本发明属微纳米技术及原子力显微成像技术领域，更特殊地，涉及一种无线控制式微小型原子力显微成像方法及装置。
背景技术
微纳米技术及微纳米显微成像技术是近年来国内外热门的前沿研究领域，而原子力显微镜(AFM)与扫描隧道显微镜(STM)等超高分辨率仪器是微纳米技术领域中不可缺少的重要工具，其中尤以AFM的应用更为普遍，因为其不受样品导电性的限制，因而在物理学、化学、生物学、医学、微电子学、微机械及微纳米技术等领域获得广泛应用。
自AFM诞生以来，国内外有关AFM技术的研究得到了长足的发展，性能也逐步完善，常规AFM在微纳米技术领域的应用也越来越广泛。但是，现有的常规AFM系统在某些方面也存在明显的局限性，例如，需要交流市电供电及专门的直流低压与高压电源，控制系统较为复杂和庞大，需要有PCI插槽或USB接口的AD&DA控制卡，与PC机或一体机之间需要通过电缆线及网络线连接，从而限制了AFM在野外考察、隔离环境、真空条件、气体氛围环境等特殊领域的应用。
综上所述，现有的常规AFM方法及装置系统，存在着需要交流市电供电，需要专门的低压直流电源与高压直流电源，计算机与控制电路及AFM探头之间需要电缆线及网络线连接，整个AFM装置系统较为复杂和庞大，无法做到便携式，也无法以无线控制方式实现原子力显微镜的扫描控制与显微成像等局限性，因此需要不断发展新的AFM技术。
本发明提出的一种无线控制式微小型原子力显微成像方法及装置，采用将嵌入式系统、WIFI无线控制模块、微小型控制电路及移动电源供电相结合的方法；整个装置由微小型原子力显微成像探头、微小型电路、嵌入式系统和手提电脑组成；原子力显微成像探头及装置系统整体实现了微小型化，无需交流市电供电，也无需专用的直流低压电源和直流高压电源，手提电脑与嵌入式系统及控制电路之间无需电缆线和网络线连接，在移动电源供电之下，通过WIFI无线数据传输方式，即可实现微纳米样品的原子力显微成像，克服了常规原子力显微镜的局限性，为在野外考察、隔离环境、真空条件、气体氛围环境等特殊领域中实现样品的原子力显微成像提供了新的技术及应用途径。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种无线控制式微小型原子力显微成像方法及装置。用于在保持纳米级扫描精度的同时，对不同尺寸、不同重量的样品实现1～100μm范围的单幅图像扫描、0.1～1mm范围的图像拼接，有效地实现各种尺寸与重量的微纳米样品的高精度、大范围、多扫描方式的微纳米扫描成像。本装置在无需交流市电、无需网络线连接等条件下，用于以无线控制的方式实现原子力显微镜的扫描控制及微纳米显微成像。
本发明的技术方案如下：
一种无线控制式微小型原子力显微成像装置包括微小型原子力显微成像探头、微小型电路、嵌入式系统和手提电脑；微小型电路由前置放大模块、扫描与反馈控制电路、移动电源组成；嵌入式系统由DA模块、AD模块、树莓派微型电脑组成，树莓派微型电脑通过WIFI无线通信模块与手提电脑实现无线数据通信；前置放大模块与扫描与反馈控制电路、DA模块、AD模块和微小型原子力显微成像探头的位敏探测器连接；扫描与反馈控制电路与微小型原子力显微成像探头的X轴压电陶瓷、Y轴压电陶瓷、Z轴压电陶瓷连接。
树莓派微型电脑与DA模块、AD模块连接，移动电源与前置放大模块、扫描与反馈控制电路、树莓派微型电脑和微小型原子力显微成像探头的激光器连接供电。
优选的，所述的微小型原子力显微成像探头包括微探针、微探针座、样品、样品台、X轴压电陶瓷、Y轴压电陶瓷、Z轴压电陶瓷、扫描器座、拖板、导轨、压簧、微动螺旋、激光器、反射镜、位敏探测器、横梁、主块和底座；
微探针安装在微探针座上，微探针座、激光器安装在横梁上，反射镜、位敏探测器、横梁安装在主块上，主块安装在底座；
样品放置在样品台上，样品台和X轴压电陶瓷、Y轴压电陶瓷、Z轴压电陶瓷连接；X轴压电陶瓷、Y轴压电陶瓷、Z轴压电陶瓷粘合在扫描器座上，扫描器座安装在拖板，拖板安装在导轨上；导轨沿Z轴方向设置；拖板一端设置有压簧，另一端紧贴微动螺旋；微动螺旋通过螺纹固定在底座上。
优选的，所述的移动电源包括两个迷你型移动电源和升压片；迷你型移动电源输出电压在5V；由升压片将迷你型移动电源的电压均升压到22V；并将升压后的一个迷你型移动电源的负输出端与另一个迷你型移动电源的正输出端相连接作为接地端，由此构成±22V的双极性电源。
优选的，所述的X轴压电陶瓷、Y轴压电陶瓷、Z轴压电陶瓷的直径均为1～2mm、长度均为5～10mm。更进一步的，所述的X轴压电陶瓷和Y轴压电陶瓷的直径和长度相等。
本发明还公开了一种无线控制式微小型原子力显微成像方法，其步骤如下：
将待测样品放置于样品台；从激光器发出的激光束，经反射镜反射后聚焦到微探针的背面，再经后者反射后，投射到位敏探测器上；
扫描器座安装在拖板上，可在微动螺旋的调节下，实现Z向的平移运动，从而实现样品—微探针之间的逼近；当样品、微探针逼近到进入原子力作用状态时，微探针因原子力作用而产生偏转，偏转量与原子力大小相对应，也即与样品表面的微纳米形貌起伏相对应；这一偏转量经激光束的杠杆放大作用后，转化为光斑在位敏探测器光敏面上的移动量，当样品进行XY扫描时，位敏探测器不断探测光斑的移动量，由此实现样品表面形貌的三维显微成像；
由树莓派发出的扫描控制电压信号，通过微小型DA接口输出，经扫描与反馈控制电路的电压跟随器和前置放大模块后，再分别进行正相放大和反相放大后，施加到X轴压电陶瓷或Y轴压电陶瓷的正负极上，实现对应方向的扫描；
从位敏探测器输出的光电流信号，经前置放大模块转换成电压信号后，一路通过AD模块输入树莓派微型电脑，另一路输入到扫描与反馈控制电路的反馈控制模块，获得反馈控制电压信号，再分别进行正相放大和反相放大后，施加到Z轴压电陶瓷的正负极上，带动样品进行Z向运动，从而实现微探针—样品间距的Z向反馈控制；
扫描与反馈控制电路输出的最大正相与反相电压分别达到+21V与-21V，即压电陶瓷上的最大控制电压差达42V，据此能够实现微米量级的扫描与反馈控制。
优选的，所述的树莓派具有WIFI发射模块和IP分配单元，所述的树莓派通过WIFI发射模块发射WIFI信号，通过IP分配单元给连接到WIFI信号的手提电脑分配以树莓派为网关的IP。
本发明的优点是：原子力显微成像探头及装置系统整体微小型化，无需交流市电供电，也无需专用的直流低压电源和直流高压电源，手提电脑与嵌入式系统及控制电路之间无需电缆线和网络线连接，在移动电源供电之下，通过WIFI无线数据传输方式，实现微纳米样品的原子力显微成像，克服了常规原子力显微镜的局限性，为在野外考察、隔离环境、真空条件、气体氛围环境等特殊领域中实现样品的原子力显微成像提供了新的应用途径。
附图说明
图1是一种无线控制式微小型原子力显微成像装置示意图；
图2是本发明的微小型原子力显微成像探头结构示意图；
图中：微小型原子力显微成像探头(1)、微小型电路(2)、嵌入式系统(3)、手提电脑(4)、微探针(5)、微探针座(6)、样品(7)、样品台(8)、X轴压电陶瓷(9)、Y轴压电陶瓷(10)、Z轴压电陶瓷(11)、扫描器座(12)、拖板(13)、导轨(14)、压簧(15)、微动螺旋(16)、激光器(17)、反射镜(18)、位敏探测器(19)、横梁(20)、主块(21)和底座(22)、前置放大模块(23)、扫描与反馈控制电路(24)、移动电源(25)、DA模块(26)、AD模块(27)、树莓派微型电脑(28)、WIFI无线通信模块(29)。
具体实施方式
如图1所示，一种无线控制式微小型原子力显微成像装置包括微小型原子力显微成像探头(1)、微小型电路(2)、嵌入式系统(3)和手提电脑(4)；微小型电路(2)由前置放大模块(23)、扫描与反馈控制电路(24)、移动电源(25)组成；嵌入式系统(3)由DA模块(26)、AD模块(27)、树莓派微型电脑(28)组成，树莓派微型电脑(28)通过WIFI无线通信模块(29)与手提电脑(4)实现无线数据通信；前置放大模块(23)与扫描与反馈控制电路(24)、DA模块(26)、AD模块(27)和微小型原子力显微成像探头(1)的位敏探测器(19)连接；扫描与反馈控制电路(24)与微小型原子力显微成像探头(1)的X轴压电陶瓷(9)、Y轴压电陶瓷(10)、Z轴压电陶瓷(11)连接。
树莓派微型电脑(28)与DA模块(26)、AD模块(27)连接，移动电源(25)与前置放大模块(23)、扫描与反馈控制电路(24)、树莓派微型电脑(28)和微小型原子力显微成像探头(1)的激光器(17)连接供电。
优选的，所述的微小型原子力显微成像探头(1)包括微探针(5)、微探针座(6)、样品(7)、样品台(8)、X轴压电陶瓷(9)、Y轴压电陶瓷(10)、Z轴压电陶瓷(11)、扫描器座(12)、拖板(13)、导轨(14)、压簧(15)、微动螺旋(16)、激光器(17)、反射镜(18)、位敏探测器(19)、横梁(20)、主块(21)和底座(22)；
微探针(5)安装在微探针座(6)上，微探针座(6)、激光器(17)安装在横梁(20)上，反射镜(18)、位敏探测器(19)、横梁(20)安装在主块(21)上，主块(21)安装在底座22)上；
样品(7)放置在样品台(8)上，样品台(8)和X轴压电陶瓷(9)、Y轴压电陶瓷(10)、Z轴压电陶瓷(11)连接；X轴压电陶瓷(9)、Y轴压电陶瓷(10)、Z轴压电陶瓷(11)粘合在扫描器座(12)上，扫描器座(12)安装在拖板(13)，拖板(13)安装在导轨(14)上；导轨(14)沿Z轴方向设置；拖板(13)一端设置有压簧(15)，另一端紧贴微动螺旋(16)；微动螺旋(16)通过螺纹固定在底座(22)上。
优选的，所述的移动电源(25)包括两个迷你型移动电源和升压片；迷你型移动电源输出电压在5V；由升压片将迷你型移动电源的电压均升压到22V；并将升压后的一个迷你型移动电源的负输出端与另一个迷你型移动电源的正输出端相连接作为接地端，由此构成±22V的双极性电源。
优选的，所述的X轴压电陶瓷(9)、Y轴压电陶瓷(10)、Z轴压电陶瓷(11)的直径均为1～2mm、长度均为5～10mm。更进一步的，所述的X轴压电陶瓷(9)和Y轴压电陶瓷(10)的直径和长度相等。
本发明还公开了一种无线控制式微小型原子力显微成像方法，其步骤如下：
将待测样品放置于样品台(8)；从激光器(17)发出的激光束，经反射镜(18)反射后聚焦到微探针(5)的背面，再经后者反射后，投射到位敏探测器(19)上；扫描器座(12)安装在拖板(13)上，可在微动螺旋(16)的调节下，实现Z向的平移运动，从而实现样品—微探针之间的逼近；当样品、微探针逼近到进入原子力作用状态时，微探针(5)因原子力作用而产生偏转，偏转量与原子力大小相对应，也即与样品表面的微纳米形貌起伏相对应；这一偏转量经激光束的杠杆放大作用后，转化为光斑在位敏探测器(19)光敏面上的移动量，当样品进行XY扫描时，位敏探测器不断探测光斑的移动量，由此实现样品表面形貌的三维显微成像；由树莓派发出的扫描控制电压信号，通过微小型DA接口输出，经扫描与反馈控制电路(24)的电压跟随器和前置放大模块(23)后，再分别进行正相放大(VX+)和反相放大(VX-)后，施加到X轴压电陶瓷或Y轴压电陶瓷的正负极上，实现对应方向的扫描；从位敏探测器输出的光电流信号，经前置放大模块(23)转换成电压信号后，一路通过AD模块(27)输入树莓派微型电脑(28)，另一路输入到扫描与反馈控制电路(24)的反馈控制模块，获得反馈控制电压信号，再分别进行正相放大(VZ+)和反相放大(VZ-)后，施加到Z轴压电陶瓷的正负极上，带动样品进行Z向运动，从而实现微探针-样品间距的Z向反馈控制；扫描与反馈控制电路(24)输出的最大正相与反相电压分别达到+21V与-21V，即压电陶瓷上的最大控制电压差达42V，据此能够实现微米量级的扫描与反馈控制。
优选的，所述的树莓派具有WIFI发射模块和IP分配单元，所述的树莓派通过WIFI发射模块发射WIFI信号，通过IP分配单元给连接到WIFI信号的手提电脑(4)分配以树莓派为网关的IP。
本发明的无线控制式微小型原子力显微成像方法，采用将微小型原子力显微成像探头、嵌入式系统、WIFI无线控制模块、微小型控制电路及移动电源供电相结合的方法，以无线控制的方式实现原子力显微镜的扫描控制及显微成像。引入三根直径1～2mm、长度5～10mm的微小型压电陶瓷，正交粘合构成微小型扫描控制器；从微小型激光器发出的激光束，经反射镜反射后聚焦到微探针(微悬臂)的背面，再经后者反射后，投射到位敏探测器上；微小型扫描控制器安装在小拖板上，可在微调螺旋的调节下，实现Z向的平移运动，从而实现样品—微探针之间的逼近；当两者逼近到进入原子力作用状态时，微探针(微悬臂)因原子力作用而产生偏转，偏转量与原子力大小相对应，也即与样品表面的微纳米形貌起伏相对应；这一偏转量经激光束的杠杆放大作用后，转化为光斑在位敏探测器光敏面上的移动量，当样品在微小型扫描控制器控制下进行XY扫描时，位敏探测器不断探测光斑的移动量，由此实现样品表面形貌的三维显微成像。本发明中构建的原子力显微成像探头，结构简洁，总体尺寸仅为8cm×6cm×5cm，相比于常规原子力显微镜探头(通常尺寸在数十厘米甚至更大)，做到了便携式与微小型化。
为实现微小型原子力显微成像探头的扫描成像，引入由前置放大模块、扫描与反馈控制电路、移动电源组成的微小型电路。采用两个迷你型移动电源供电，每个电源仅需1节18650电池，输出电压在5V左右，由两个升压片将两个电源的电压均升压到22V，并将升压后的一个负输出端与另一个正输出端相连接，作为接地端，由此构成±22V的双极性电源，给微小型电路供电，无需交流市电，也无需低压及高压直流电源，为野外探测环境提供了方便，具有极好的便携性。
引入由树莓派微型电脑、微小型AD模块、微小型DA模块等组成的嵌入式系统，控制微小型电路的扫描与反馈。由树莓派发出的扫描控制电压信号(以X方向的电压信号为例)，通过微小型DA接口输出，经电压跟随器和电压放大电路后，再分别进行正相放大(VX+)和反相放大(VX-)后，施加到X轴压电陶瓷的正负极上，实现X方向的扫描；Y方向的扫描控制电路与X方向类似。另一方面，从位敏探测器输出的光电流信号，经前置放大模块转换成电压信号后，一路通过微小型AD接口输入树莓派，另一路输入到反馈控制模块，获得反馈控制电压信号，再分别进行正相放大(VZ+)和反相放大(VZ-)后，施加到Z轴压电陶瓷的正负极上，带动样品进行Z向运动，从而实现微探针-样品间距的Z向反馈控制。扫描与反馈电路输出的最大正相与反相电压可分别达到+21V与-21V，即压电陶瓷上的最大控制电压差可达42V，据此完全能够实现微米量级的扫描与反馈控制。
与此同时，利用WIFI无线通信模块，实现嵌入式系统与手提电脑之间的无线数据通信。手提电脑通过无线网卡接收WIFI信号，树莓派通过集成发射模块(博通BCM43438)发射WIFI信号，由此实现无需局域网的无线互连。在可以随身携带的手提电脑的无线控制下，通过嵌入式系统—微小型电路—微小型AFM探头这一控制路径，实现微纳米样品的扫描与原子力显微成像，克服了常规AFM系统中计算机与控制电路及AFM探头之间需要电缆线及网络线连接的局限性。
本发明采用将微小型原子力显微成像探头、嵌入式系统、WIFI无线控制模块、微小型控制电路及移动电源供电相结合的方法，实现了原子力显微成像探头、控制电路、嵌入式系统等部分的微小型化及便携化；与此同时，利用WIFI无线控制模块，实现嵌入式系统与手提电脑之间的无线数据通信。本发明的无线控制式微小型原子力显微成像方法及装置，探头及装置系统整体微小型化，无需交流市电供电，无需专用的直流低压电源和直流高压电源，也无需电缆线和网络线连接，在移动电源供电之下，通过WIFI无线数据传输方式，即可实现微纳米样品的原子力显微成像，克服了常规原子力显微镜的局限性，为在野外考察、隔离环境、真空条件、气体氛围环境等特殊领域中实现样品的原子力显微成像提供了新的途径。
Claims (7)
1.一种无线控制式微小型原子力显微成像装置，其特征在于包括微小型原子力显微成像探头(1)、微小型电路(2)、嵌入式系统(3)和手提电脑(4)；
微小型电路(2)由前置放大模块(23)、扫描与反馈控制电路(24)、移动电源(25)组成；
嵌入式系统(3)由DA模块(26)、AD模块(27)、树莓派微型电脑(28)组成，树莓派微型电脑(28)通过WIFI无线通信模块(29)与手提电脑(4)实现无线数据通信；
前置放大模块(23)与扫描与反馈控制电路(24)、DA模块(26)、AD模块(27)和微小型原子力显微成像探头(1)的位敏探测器(19)连接；
扫描与反馈控制电路(24)与微小型原子力显微成像探头(1)的X轴压电陶瓷(9)、Y轴压电陶瓷(10)、Z轴压电陶瓷(11)连接，
树莓派微型电脑(28)与DA模块(26)、AD模块(27)连接，
移动电源(25)与前置放大模块(23)、扫描与反馈控制电路(24)、树莓派微型电脑(28)和微小型原子力显微成像探头(1)的激光器(17)连接供电。
2.根据权利要求1所述的一种无线控制式微小型原子力显微成像装置，其特征在于所述的微小型原子力显微成像探头(1)包括微探针(5)、微探针座(6)、样品(7)、样品台(8)、X轴压电陶瓷(9)、Y轴压电陶瓷(10)、Z轴压电陶瓷(11)、扫描器座(12)、拖板(13)、导轨(14)、压簧(15)、微动螺旋(16)、激光器(17)、反射镜(18)、位敏探测器(19)、横梁(20)、主块(21)和底座(22)；
微探针(5)安装在微探针座(6)上，微探针座(6)、激光器(17)安装在横梁(20)上，反射镜(18)、位敏探测器(19)、横梁(20)安装在主块(21)上，主块(21)安装在底座(22)上；
样品(7)放置在样品台(8)上，样品台(8)和X轴压电陶瓷(9)、Y轴压电陶瓷(10)、Z轴压电陶瓷(11)连接；X轴压电陶瓷(9)、Y轴压电陶瓷(10)、Z轴压电陶瓷(11)粘合在扫描器座(12)上，扫描器座(12)安装在拖板(13)，拖板(13)安装在导轨(14)上；导轨(14)沿Z轴方向设置；拖板(13)一端设置有压簧(15)，另一端紧贴微动螺旋(16)；微动螺旋(16)通过螺纹固定在底座(22)上。
3.根据权利要求1所述的一种无线控制式微小型原子力显微成像装置，其特征在于所述的移动电源(25)包括两个迷你型移动电源和升压片；迷你型移动电源输出电压在5V；由升压片将迷你型移动电源的电压均升压到22V；并将升压后的一个迷你型移动电源的负输出端与另一个迷你型移动电源的正输出端相连接作为接地端，由此构成±22V的双极性电源。
4.根据权利要求1所述的一种无线控制式微小型原子力显微成像装置，其特征在于所述的X轴压电陶瓷(9)、Y轴压电陶瓷(10)、Z轴压电陶瓷(11)的直径均为1～2mm、长度均为5～10mm。
5.根据权利要求4所述的一种无线控制式微小型原子力显微成像装置，其特征在于所述的X轴压电陶瓷(9)和Y轴压电陶瓷(10)的直径和长度相等。
6.一种权利要求2所述装置的无线控制式微小型原子力显微成像方法，其特征在于步骤如下：
将待测样品放置于样品台(8)；从激光器(17)发出的激光束，经反射镜(18)反射后聚焦到微探针(5)的背面，再经后者反射后，投射到位敏探测器(19)上；
扫描器座(12)安装在拖板(13)上，可在微动螺旋(16)的调节下，实现Z向的平移运动，从而实现样品—微探针之间的逼近；当样品、微探针逼近到进入原子力作用状态时，微探针(5)因原子力作用而产生偏转，偏转量与原子力大小相对应，也即与样品表面的微纳米形貌起伏相对应；这一偏转量经激光束的杠杆放大作用后，转化为光斑在位敏探测器(19)光敏面上的移动量，当样品进行XY扫描时，位敏探测器不断探测光斑的移动量，由此实现样品表面形貌的三维显微成像；
由树莓派微型电脑发出的扫描控制电压信号，通过微小型DA接口输出，经扫描与反馈控制电路(24)的电压跟随器和前置放大模块(23)后，再分别进行正相放大(VX+)和反相放大(VX-)后，施加到X轴压电陶瓷或Y轴压电陶瓷的正负极上，实现对应方向的扫描；
从位敏探测器输出的光电流信号，经前置放大模块(23)转换成电压信号后，一路通过AD模块(27)输入树莓派微型电脑(28)，另一路输入到扫描与反馈控制电路(24)的反馈控制模块，获得反馈控制电压信号，再分别进行正相放大(VZ+)和反相放大(VZ-)后，施加到Z轴压电陶瓷的正负极上，带动样品进行Z向运动，从而实现微探针-样品间距的Z向反馈控制；
扫描与反馈控制电路(24)输出的最大正相与反相电压分别达到+21V与-21V，即压电陶瓷上的最大控制电压差达42V，据此能够实现微米量级的扫描与反馈控制。
7.根据权利要求6所述的无线控制式微小型原子力显微成像方法，其特征在于所述的树莓派微型电脑(28)具有WIFI发射模块和IP分配单元，所述的树莓派微型电脑(28)通过WIFI发射模块发射WIFI信号，通过IP分配单元给连接到WIFI信号的手提电脑(4)分配以树莓派微型电脑(28)为网关的IP。
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| CN201810392674.9A CN108693384A (zh) | 2018-04-27 | 2018-04-27 | 一种无线控制式微小型原子力显微成像方法及装置 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110095149A (zh) * | 2019-04-15 | 2019-08-06 | 西安理工大学 | 自动遥感探测高层大气温度和体发射率的气辉成像干涉仪 |
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2018
- 2018-04-27 CN CN201810392674.9A patent/CN108693384A/zh active Pending
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