CN117849399A - 开放式模块化的扫描探针显微镜控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种开放式模块化的扫描探针显微镜控制系统，包括：模拟信号调理和接口模块，与扫描探针显微镜探头的位置探测器连接，接收位置探测器采集到的力传感器信号；锁相放大模块，与模拟信号调理和接口模块连接，接收力传感器信号，并基于接收到的力传感器信号确定幅值、相位、X分量和Y分量；Z轴控制模块，与模拟信号调理和接口模块、锁相放大模块均连接，其接收力传感器信号，以及接收幅值和相位,并生成驱动压电扫描台在Z方向上移动的Z向控制信号；XY轴扫描控制和成像信号采集模块，与锁相放大模块、Z轴控制模块均连接，其接收幅值、相位或X分量、Y分量以及Z向控制信号，并生成驱动压电扫描台在X方向和Y方向上移动的XY控制信号。

Description

开放式模块化的扫描探针显微镜控制系统

技术领域

本发明涉及显微成像技术领域，尤其涉及一种开放式模块化的扫描探针显微镜控制系统。

背景技术

扫描探针显微镜(Scanning Probe Microscope，SPM)是纳米科技中一种重要的成像和表征分析工具，可用于测量样品微区的表面形貌以及样品表面的电学、磁学等相关性质，广泛地应用在科学研究的各个前沿领域中。SPM适用于不同的工作环境，其优势是具有极高的空间分辨率，在一些条件下甚至可达到原子量级。SPM的精密电子学控制系统为实现其高精度和高速度的扫描提供了保障；以SPM中广泛使用的原子力显微镜(Atomic ForceMicroscope，AFM)为例；采用一束激光照射在AFM探针的微悬臂末端，通过光杠杆原理放大悬臂的偏转即悬臂的弯曲程度；后由位置敏感探测器接收反射光斑并将其位置偏移量转化为电信号；以该电信号作为SPM控制系统的反馈控制量并通过压电陶瓷伺服系统维持其恒定，即维持了样品表面到悬臂末端针尖的距离为恒定量，从而通过读取压电陶瓷的位移量即可获取样品表面的形貌信息等用于成像。

然而，目前普遍采用的扫描探针显微镜控制系统为基于单个主控芯片、集中式、一体化设计的电子学控制系统，这类电子学控制系统控制精度、采样率以及响应时间等性能参数极大程度上受限于采用的硬件，不利于性能的进一步提升和功能扩展；另一方面，这类系统的架构决定了无法利用通用的高性能模块化硬件实现系统研发的快速迭代更新。此外，各种潜在的异常状态在单个主控芯片、集中式、一体化设计的电子学控制系统调试中往往难以排查，这会给系统的实际研发和应用带来阻碍。因此如何便于提升扫描探针显微镜控制系统的性能以及如何便于实现扫描探针显微镜控制系统功能的快速扩展是亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种开放式模块化的扫描探针显微镜控制系统，以解决现有技术中存在的一个或多个问题。

根据本发明的一个方面，本发明公开了一种开放式模块化的扫描探针显微镜控制系统，所述系统包括：

模拟信号调理和接口模块，用于与扫描探针显微镜探头的位置探测器连接，所述模拟信号调理和接口模块接收所述位置探测器采集到的力传感器信号；

锁相放大模块，与所述模拟信号调理和接口模块连接，所述锁相放大模块接收所述模拟信号调理和接口模块输出的所述力传感器信号，并基于接收到的所述力传感器信号确定所述力传感器信号的幅值、相位、X分量和Y分量；

Z轴控制模块，与所述模拟信号调理和接口模块、所述锁相放大模块均连接，所述Z轴控制模块接收所述模拟信号调理和接口模块输出的力传感器信号，以及接收所述锁相放大模块输出的幅值和相位,并生成用于驱动压电扫描台在Z方向上移动的Z向控制信号；

XY轴扫描控制和成像信号采集模块，与所述锁相放大模块、Z轴控制模块均连接，所述XY轴扫描控制和成像信号采集模块接收所述锁相放大模块输出的幅值、相位或X分量、Y分量，以及接收所述Z轴控制模块输出的所述Z向控制信号，并生成用于驱动压电扫描台在X方向和Y方向上移动的XY控制信号。

在本发明的一些实施例中，所述力传感器信号为光信号或电信号，在所述力传感器信号为光信号时，所述力传感器信号包括光点水平信号和光点垂直信号；和/或

所述XY轴扫描控制和成像信号采集模块生成用于控制探针抬起的抬起控制信号。

在本发明的一些实施例中，所述控制系统还包括上位机，所述上位机与所述模拟信号调理和接口模块、锁相放大模块、Z轴控制模块以及XY轴扫描控制和成像信号采集模块均连接；和/或

所述Z轴控制模块获取所述抬起控制信号以及所述XY轴扫描控制和成像信号采集模块的采样时钟。

在本发明的一些实施例中，所述Z向控制信号为第一Z向控制信号、第二Z向控制信号或第三Z向控制信号；

所述第一Z向控制信号为所述Z轴控制模块基于接收到的所述光点水平信号、光点垂直信号、幅值和相位生成的信号；

所述第二Z向控制信号为所述上位机向所述Z轴控制模块发送的信号；

所述第三Z向控制信号为所述Z轴控制模块基于获取到的所述抬起控制信号和采样时钟生成的信号。

在本发明的一些实施例中，所述Z轴控制模块将接收到的光点垂直信号或幅值与预设值进行比较，基于比较结果生成电机控制信号。

在本发明的一些实施例中，所述控制系统还包括电机控制模块，所述电机控制模块与所述Z轴控制模块连接，所述电机控制模块用于基于接收到的电机控制信号控制探针电机的工作状态。

在本发明的一些实施例中，所述模拟信号调理和接口模块包括除法器、电压调理单元、单片机和显示设备，所述除法器的输入端与所述位置探测器连接，所述除法器的输出端与所述锁相放大模块和电压调理单元的输入端均连接，所述电压调理单元的输出端与所述单片机的输入端连接，所述单片机的输出端与所述显示设备连接。

在本发明的一些实施例中，所述锁相放大模块包括OE1300系列模块化锁相放大器。

在本发明的一些实施例中，所述Z轴控制模块包括第一多路切换器、FPGA子模块和第二多路切换器，所述第一多路切换器的输入端与所述模拟信号调理和接口模块、所述锁相放大模块均连接，所述第一多路切换器的输出端与所述FPGA子模块的输入端连接，所述FPGA子模块的输出端与所述第二多路切换器的输入端连接，所述第二多路切换器的输出端与所述XY轴扫描控制和成像信号采集模块连接。

在本发明的一些实施例中，所述模拟信号调理和接口模块、锁相放大模块、Z轴控制模块以及XY轴扫描控制和成像信号采集模块均设有独立的主控芯片。

该开放式模块化的扫描探针显微镜控制系统由可独立使用的模拟信号调理和接口模块、锁相放大模块、Z轴控制模块以及XY轴扫描控制和成像信号采集模块组成，并且Z轴控制模块接收光点水平信号、光点垂直信号、幅值和相位信号并生成用于驱动压电扫描台在Z方向上移动的Z向控制信号，XY轴扫描控制和成像信号采集模块生成用于驱动压电扫描台在X方向和Y方向上移动的XY控制信号；该开放式模块化的扫描探针显微镜控制系统采用多个独立的模块完成扫描探针显微镜的控制，从而容易发现各模块的异常状态，进而也便于提高显微镜控制系统的控制精度、采样率以及缩短响应时间，从而便于提升显微镜控制系统的性能以及便于实现显微镜控制系统的功能扩展。

本发明的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本发明的实践而获知。本发明的目的和其它优点可以通过在书面说明及其权利要求书以及附图中具体指出的结构实现到并获得。

本领域技术人员将会理解的是，能够用本发明实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本发明能够实现的上述和其他目的。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。附图中的部件不是成比例绘制的，而只是为了示出本发明的原理。为了便于示出和描述本发明的一些部分，附图中对应部分可能被放大，即，相对于依据本发明实际制造的示例性装置中的其它部件可能变得更大。在附图中：

图1为本发明一实施例的开放式模块化的扫描探针显微镜控制系统的架构示意图。

图2为本发明一实施例的模拟信号调理和接口模块的架构示意图。

图3为本发明一实施例的锁相放大模块的架构示意图。

图4为本发明一实施例的XY轴扫描控制和成像信号采集模块的架构示意图。

图5为本发明一实施例的Z轴控制模块的架构示意图。

图6为本发明一实施例的电机控制模块的架构示意图。

图7为本发明一实施例的开放式模块化的扫描探针显微镜控制系统应用于光杠杆式原子力显微镜中的示意图。

图8为本发明一实施例的开放式模块化的扫描探针显微镜控制系统应用于石英音叉式原子力显微镜中的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

在此，需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

应该强调，术语“包括/包含/具有”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。

针对现有技术中采用的基于单个主控芯片、集中式、一体化设计的扫描探针显微镜控制系统存在的性能提升受限、功能扩展受限等问题，本发明提供了一种开放式模块化的扫描探针显微镜控制系统，该开放式模块化的扫描探针显微镜控制系统为性能提升以及功能扩展提供了保障，也有利于实现显微镜控制系统的快速迭代更新。

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

图1为本发明一实施例的开放式模块化的扫描探针显微镜控制系统的架构示意图，参考图1，该控制系统至少包括模拟信号调理和接口模块301、锁相放大模块302、Z轴控制模块304以及XY轴扫描控制和成像信号采集模块303。其中，模拟信号调理和接口模块301用于与扫描探针显微镜探头的位置探测器连接，所述模拟信号调理和接口模块301接收所述位置探测器采集到的力传感器信号。具体的，力传感器信号可为光信号或电信号，在所述力传感器信号为光信号时，所述力传感器信号包括光点水平信号和光点垂直信号，即模拟信号调理和接口模块301基于接收到的所述光信号确定光点水平信号和光点垂直信号。示例性的，当扫描探针显微镜探头为悬臂梁式探头时，位置探测器具体的为四象限光点位置探测器，此时力传感器信号为光信号，并且该类型的扫描探针显微镜可工作在动态模式或静态模式；当扫描探针显微镜探头为石英音叉探头时，位置探测器具体的为压电敏感器件，此时力传感器信号为电信号。

锁相放大模块302与所述模拟信号调理和接口模块301连接，所述锁相放大模块302接收所述模拟信号调理和接口模块301输出的所述力传感器信号，并确定所述力传感器信号的幅值、相位、X分量和Y分量。具体的，当力传感器信号为光信号时，此时锁相放大模块302接收的为模拟信号调理和接口模块301输出的光点垂直信号，并确定光点垂直信号的幅值、相位、X分量和Y分量；当力传感器信号为电信号时，锁相放大模块302接收的为所述模拟信号调理和接口模块301输出的经过放大后的音叉交流信号，并确定的为音叉交流信号的幅值、相位、X分量和Y分量。Z轴控制模块304与所述模拟信号调理和接口模块301、所述锁相放大模块302均连接，所述Z轴控制模块304接收所述模拟信号调理和接口模块301发送的力传感器信号，以及接收所述锁相放大模块302输出的幅值和相位,并生成用于驱动压电扫描台在Z方向上移动的Z向控制信号。

XY轴扫描控制和成像信号采集模块303与所述锁相放大模块302、Z轴控制模块304均连接，所述XY轴扫描控制和成像信号采集模块303接收所述锁相放大模块302输出的幅值、相位或X分量、Y分量，以及XY轴扫描控制和成像信号采集模块303接收所述Z轴控制模块304输出的所述Z向控制信号，并生成用于驱动压电扫描台在X方向和Y方向上移动的XY控制信号。

进一步的，控制系统还包括上位机100，所述上位机100与所述模拟信号调理和接口模块301、锁相放大模块302、Z轴控制模块304以及XY轴扫描控制和成像信号采集模块303均连接，所述上位机100可向所述Z轴控制模块304发送用于驱动压电扫描台在Z方向上移动的第二Z向控制信号。具体的，该上位机100设有上位机软件程序101，此时模拟信号调理和接口模块301、锁相放大模块302、Z轴控制模块304以及XY轴扫描控制和成像信号采集模块303作为下位机300的组成部分，上位机100与下位机300通过通信总线200进行通信连接。对于该控制系统，实时性任务通过各个子模块执行，各个子模块通过通信总线200与上位机100进行信息交互，而非实时性任务由上位机100的中央处理器协调各个子模块运行；并且各个子模块的机械尺寸遵循19英寸3U插箱标准，便于封装在一体化机箱内。

在一实施例中，进一步的，控制系统还包括电机控制模块305，所述电机控制模块305与所述Z轴控制模块304连接，所述电机控制模块305用于基于接收到的电机控制信号控制探针电机的工作状态，具体的控制探针电机的自动停止。电机控制模块305也为下位机300的其中一个模块，此时下位机300由模拟信号调理和接口模块301、锁相放大模块302、XY轴扫描控制和成像信号采集模块303、Z轴控制模块304以及电机控制模块305等多个子模块组成。

其中，模拟信号调理和接口模块301、锁相放大模块302、Z轴控制模块304、XY轴扫描控制和成像信号采集模块303以及电机控制模块305还均设有独立的主控芯片。主控芯片为现场可编程门阵列控制芯片、数字信号处理芯片或高性能微控制单元等。

具体的，模拟信号调理和接口模块301主要用于对来自位置探测器检测到的信号进行处理，如包括对模拟信号的电压大小、极性和参数转换进行实时计算等。参考图2，模拟信号调理和接口模块301具体可包括除法器(第一除法器301-1和第二除法器301-2)、电压调理单元301-3、单片机301-4、和显示设备，所述除法器的输入端与所述位置探测器的输出端相连接，所述除法器的输出端与锁相放大模块302和电压调理单元的输入端均连接，所述电压调理单元301-3的输出端与所述单片机301-4的输入端连接，所述单片机301-4的输出端与所述显示设备连接。其中，显示设备用于实时显示该模块确定的信号，如光点水平信号和光点垂直信号等。另外，模拟信号调理和接口模块301还设有输出单元301-6，输出单元301-6可向后级输出归一化的光点水平信号、光点垂直信号以及总光强信号。在一实施例中，以该扫描探针显微镜控制系统应用于光杠杆式AFM为例，该光杠杆式AFM采用四象限位置敏感探测器PDQ80A，四象限位置敏感探测器的4个光电二极管的输出信号分别为Q1、Q2、Q3、Q4，此时光点水平信号为(Q2+Q3-Q1-Q4)，光点垂直信号为(Q1+Q2-Q3-Q4)，总光强信号为(Q1+Q2+Q3+Q4)；其中光强归一化操作是指将光点水平信号和光点垂直信号通过除法器分别与总光强信号相除。具体的，模拟信号调理和接口模块301以AD734除法器为核心搭建模拟除法电路实现光强归一化；参考图2，第一除法器301-1的输入为光点垂直信号和总光强信号，输出为归一化的光点垂直信号；第二除法器301-2的输入为光点水平信号和总光强信号，输出为归一化的光点水平信号；该模拟信号调理和接口模块301进一步的将总光强信号和归一化后的光点垂直信号、光点水平信号通过输出单元301-6进行输出。另外，总光强信号和归一化后的光点垂直信号、光点水平信号进一步的还被输入至电压调理单元301-3中，该电压调理单元301-3采用OP27运算放大器搭建比例和偏置运算电路，电压调理单元301-3对其接收到的信号的电压范围进行预处理，即将模拟信号的变化范围调节至数字模拟转换器的输入范围内，该实施例将电压范围调整为0V至3.3V。单片机301-4与电压调理单元301-3的输出端连接，即单片机301-4接收电压调理单元301-3输出的预处理后的光点水平信号、光点垂直信号和总光强信号，并将接收到的上述信号通过显示设备进行图形化显示，在该实施例中，显示设备具体的可为显示屏301-5。

当悬臂梁式探头工作在静态模式时，锁相放大模块302接收信号通道输入的光点垂直信号，并对该光点垂直信号携带的交流信息进行解调，得到幅值R、相位θ、X分量R_X和Y分量R_Y。除此之外，锁相放大模块302也可生成交流激励信号通过参考通道输出，参考图3，该锁相放大模块302可包含1个或多个相同功能的通道以满足不同的应用需求。示例性的，在AFM系统中，锁相放大模块302的参考通道作为波形发生器输出特定频率及电压的交流激励信号引起微悬臂振动，与此同时，位置探测器检测位置变化的光信号，经由模拟信号调理和接口模块301处理后将归一化后的光点垂直信号发送至锁相放大模块302解调出振动的幅度R和相位θ，或直角坐标系分量R_X和R_Y。进一步的，锁相放大模块302解调出的幅度R、相位θ、X分量R_X和Y分量R_Y被发送至XY轴扫描控制和成像信号采集模块303作为成像信号，并将解调出的幅度R和相位θ发送至Z轴控制模块304作为反馈信号。示例性的，锁相放大模块302包括OE1300系列模块化锁相放大器，并且在一些实施例中，冗余的锁相放大模块302可在其它电学和磁学模式中根据实际需要进行功能拓展。

XY轴扫描控制和成像信号采集模块303生成用于驱动压电扫描台在X方向和Y方向上移动的XY控制信号，以完成在XY平面上的扫描以及同步的多通道成像信号的采集。该模块基于接收到的上位机100下发的指令和数据，并通过硬件定时生成扫描波形，即XY控制信号。XY轴扫描控制和成像信号采集模块303的输出端与压电扫描台的控制系统连接，即XY轴扫描控制和成像信号采集模块303输出的XY控制信号发送至压电扫描台的控制系统，进而实现压电扫描台在X、Y轴方向的定量移动。该XY轴扫描控制和成像信号采集模块303的输入包括Z轴控制模块304输出的所述Z向控制信号、锁相放大模块302输出的幅值、相位或X分量、Y分量。另外，为了更好的检测扫描波形，该模块还将输出电压也进行了采集以作为位置监测信号X’和Y’；而为了便于功能的拓展，该模块相应的也设有冗余采集通道，冗余采集通道可作为成像的附属通道。另外，所述XY轴扫描控制和成像信号采集模块303还可生成用于控制探针抬起的扫描同步信号和抬起控制信号。

示例性的，参考图4，XY轴扫描控制和成像信号采集模块303可采用USB5515数据采集卡，其采用高性能FPGA子模块作为主控芯片，并具有16路的18位1M单端模拟输入和两路的16位2M的模拟输出通道。在具体的扫描过程中，根据压电扫描台的最大扫描范围及其对应扫描范围的电压上下限，设置扫描范围大小、扫描区域中心点的位置、图像分辨率、行扫描频率和扫描区域偏转的角度等参数，并进一步的得到在XY平面中的扫描波形数据，上位机100将该扫描波形数据通过通信总线200发送至XY轴扫描控制和成像信号采集模块303的主控芯片。

在一具体实施例中，以光杠杆式AFM探针静态模式为例：XY扫描波形可覆盖整个扫描区域，成像时压电扫描台通过在XY平面上逐点的移动并记录扫描过程中每个点上(与扫描波形同步)的压电扫描台Z方向的电压以及探头位置探测器输出的光信号，分别以形貌通道、探针偏转通道和横向力通道实时成像于软件界面中。而以光杠杆式AFM探针动态模式为例：通过记录扫描过程中每个点上压电扫描台在Z方向的电压、锁相放大模块302输出的幅度R和相位θ信号，分别以形貌通道、幅度通道和相位通道实时成像于软件界面中。

进一步的，Z轴控制模块304获取所述XY轴扫描控制和成像信号采集模块303发送的抬起控制信号以及XY轴扫描控制和成像信号采集模块303的采样时钟，并基于获取到的所述抬起控制信号和采样时钟生成用于驱动压电扫描台在Z方向上移动的第三Z向控制信号。

参考图5，Z轴控制模块304可包括第一多路切换器304-1、FPGA子模块模块和第二多路切换器304-2，所述第一多路切换器304-1的输入端与所述模拟信号调理和接口模块301、所述锁相放大模块302均连接，所述第一多路切换器304-1的输出端与所述FPGA子模块的输入端连接，所述FPGA子模块的输出端与所述第二多路切换器304-2的输入端连接，所述第二多路切换器304-2的输出端与所述XY轴扫描控制和成像信号采集模块303连接。

Z轴控制模块304主要用于实现对压电扫描台在Z轴方向上的移动的控制，该模块可通过第一多路切换器304-1选择输入信号，例如在AFM静态模式中通过第一多路切换器304-1选择接通光点垂直信号，而在AFM动态模式中通过第一多路切换器304-1选择接通锁相放大器输出的幅值R；其中，第一多路切换器304-1可为由SW06芯片组成的多路切换开关电路。FPGA子模块具体的包括数字PID和比较器单元、Z数据缓冲单元以及输出滤波单元，该模块的FPGA子模块根据输入信号通过比例-积分-微分(Proportional-Integral-Derivative，PID)的控制机制实时计算得到用于控制压电扫描台在Z方向上运动的控制信号。类似的，该模块也提供了冗余的多路数字PID回路以便于进行功能拓展。

在上述实施例中，Z轴控制模块304的核心部分为基于FPGA开发的数字PID控制器；在为Z轴控制模块304设置P比例、I积分、D微分等反馈控制参数时，由于微分环节容易放大系统噪声导致系统信噪比降低，因此在Z轴控制模块304采用的数字PID控制算法中优先采用比例和积分调节，即PI控制。同时该模块的FPGA数字PID控制器中还设有电压比较器以使得步进电机发出停止信号从而防止撞针，电压比较器用于比较输入信号与设定点之间的大小，即Z轴控制模块304将接收到的光点垂直信号或幅值与预设值进行比较，基于比较结果生成电机控制信号，该电机控制信号具体的为电机的自动停止信号。

另外，上位机100还可直接发送移动数据至该Z轴控制模块304并加载至数据缓存区，从而基于该数据缓存区缓存的上位机100发送的扫描曲线信号控制压电扫描台在Z方向上的移动。除上述之外，从图5中可以看出，该Z轴控制模块304还可进一步接收XY轴扫描控制和成像信号采集模块303发送的探针抬起信号和采样时钟，并结合数据缓存区中的高度数据完成数据计算以确定抬起高度，并同步的执行Z向移动。在该实施例中，当探针抬起信号到来时，Z轴控制模块304的输出通过第二多路切换器切换为抬起高度对应的Z控制信号，并以此数据直接驱动压电扫描台在Z方向上的移动，以提供抬起模式成像的功能。可以理解的，在该实施例中，Z向控制信号为第一Z向控制信号、第二Z向控制信号或第三Z向控制信号，即Z轴控制模块304根据第二多路切换器选择第一Z向控制信号、第二Z向控制信号或第三Z向控制信号，其中第一Z向控制信号为所述Z轴控制模块304基于接收到的所述光点水平信号、光点垂直信号、幅值和相位生成的信号。

电机控制模块305主要用于控制驱动探针的步进电机，从而实现探针的连续或单步上升、下降以及停止等粗调节功能，或探针自动逼近样品的功能；该电机控制模块305支持多路电机的同步控制。电机控制模块305的输出信号输送至探头的驱动电机，该电机驱动模块还可接收Z轴控制模块304输出的停车信号。参考图6，在该实施例中，电机控制模块305采用Pico单片机作为主控，其中包含两个并行的线程，线程1执行串口监听任务，线程2接收从Z轴控制模块发出的停车信号并以此为依据判断是否执行步进任务，若停车信号有效则控制电机立即停止转动。另外，基于在软件的交互可通过电机控制子软件给电机控制模块305下达命令，如在软件中通过“上”和“下”两个按钮执行连续进针或连续退针任务，通过“单步进”和“单步退”两个按钮执行单步进针或单步退针任务，通过“自动进针”按钮执行自动进针任务，通过“停止”按钮立即停止执行电机所有的任务；电机运行速度也可通过软件中的“速度+”和“速度-”进行微调。

对于上述的下位机300中的各独立模块，除了模拟信号调理和接口模块301之外，各模块均可配备图形用户界面的软件控制及数据采集程序以便于实现人机交互，具体的，锁相放大模块302的软件包含频率扫描、驱动频率设置和弹性常数测量等的程序。XY轴控制和成像信号采集模块软件包含设置扫描区域、范围、扫描时间/速度、采样率、采样点数等参数的程序；该软件程序还可采集多通道扫描的数据，并制定色标完成实时显示；另外该软件程序可以自动保存成像数据，并兼容通用的图像后处理软件。Z轴控制模块304软件可通过切换多路开关选择SPM系统的工作模式，并可设置Z轴控制模块304的极限点、P比例、I积分、D微分等参数，以及设置输出信号的幅度极限值；另外该Z轴控制模块304的软件程序在抬起模式中支持抬起高度的设置。电机控制软件包含串口通讯功能，可实现电机的自动逼近、连续或单步上升、下降以及停止等粗调节功能。

上述实施例公开的开放式模块化的扫描探针显微镜控制系统可覆盖的SPM成像任务包括静态模式、动态模式、力曲线和探针抬起模式等，其对探针也具有较强的适配性。图7为本发明一实施例的开放式模块化的扫描探针显微镜控制系统应用于光杠杆式原子力显微镜中的示意图，在该实施例中，模拟信号调理和接口模块301主要处理来自四象限位置探测器的模拟信号，锁相放大模块302主要提供交流激励信号以及处理来自四象限位置探测器模拟信号交流的部分，XY轴扫描控制和成像信号采集模块303主要进行扫描和成像信号的采集，Z轴控制模块304主要处理模式切换与反馈控制，电机控制模块305主要负责粗逼近功能的实现。图8为本发明一实施例的开放式模块化的扫描探针显微镜控制系统应用于石英音叉式原子力显微镜中的示意图，在该实施例中，开放式模块化的扫描探针显微镜控制系统的应用方式与图7所示的光杠杆式原子力显微镜中的控制系统的应用方式基本类似。

通过上述实施例可以发现，本发明所公开的开放式模块化的扫描探针显微镜控制系统由多个独立的子模块组成，且各子模块均包括独立的主控芯片，该控制系统对探针显微镜具有较好的适配性，并且各模块可根据实际需要配置不同的参数。该开放式模块化的扫描探针显微镜控制系统采用多个独立的子模块完成扫描探针显微镜的控制，容易发现各模块的异常状态，进而也便于提高显微镜控制系统的控制精度、采样率以及缩短响应时间，从而便于提升显微镜控制系统的性能以及便于实现显微镜控制系统的功能扩展。

本领域普通技术人员应该可以明白，结合本文中所公开的实施方式描述的各示例性的组成部分、系统和方法，能够以硬件、软件或者二者的结合来实现。具体究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。当以硬件方式实现时，其可以例如是电子电路、专用集成电路(ASIC)、适当的固件、插件、功能卡等等。当以软件方式实现时，本发明的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。“机器可读介质”可以包括能够存储或传输信息的任何介质。机器可读介质的例子包括电子电路、半导体存储器设备、ROM、闪存、可擦除ROM(EROM)、软盘、CD-ROM、光盘、硬盘、光纤介质、射频(RF)链路，等等。代码段可以经由诸如因特网、内联网等的计算机网络被下载。

还需要说明的是，本发明中提及的示例性实施例，基于一系列的步骤或者装置描述一些方法或系统。但是，本发明不局限于上述步骤的顺序，也就是说，可以按照实施例中提及的顺序执行步骤，也可以不同于实施例中的顺序，或者若干步骤同时执行。

本发明中，针对一个实施方式描述和/或例示的特征，可以在一个或更多个其它实施方式中以相同方式或以类似方式使用，和/或与其他实施方式的特征相结合或代替其他实施方式的特征。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种开放式模块化的扫描探针显微镜控制系统，其特征在于，所述控制系统包括：

模拟信号调理和接口模块，用于与扫描探针显微镜探头的位置探测器连接，所述模拟信号调理和接口模块接收所述位置探测器采集到的力传感器信号；

锁相放大模块，与所述模拟信号调理和接口模块连接，所述锁相放大模块接收所述模拟信号调理和接口模块输出的所述力传感器信号，并基于接收到的所述力传感器信号确定所述力传感器信号的幅值、相位、X分量和Y分量；

Z轴控制模块，与所述模拟信号调理和接口模块、所述锁相放大模块均连接，所述Z轴控制模块接收所述模拟信号调理和接口模块输出的力传感器信号，以及接收所述锁相放大模块输出的幅值和相位，并生成用于驱动压电扫描台在Z方向上移动的Z向控制信号；

XY轴扫描控制和成像信号采集模块，与所述锁相放大模块、Z轴控制模块均连接，所述XY轴扫描控制和成像信号采集模块接收所述锁相放大模块输出的幅值、相位或X分量、Y分量，以及接收所述Z轴控制模块输出的所述Z向控制信号，并生成用于驱动压电扫描台在X方向和Y方向上移动的XY控制信号。

2.根据权利要求1所述的开放式模块化的扫描探针显微镜控制系统，其特征在于，所述力传感器信号为光信号或电信号，在所述力传感器信号为光信号时，所述力传感器信号包括光点水平信号和光点垂直信号；和/或

所述XY轴扫描控制和成像信号采集模块生成用于控制探针抬起的抬起控制信号。

3.根据权利要求2所述的开放式模块化的扫描探针显微镜控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括上位机，所述上位机与所述模拟信号调理和接口模块、锁相放大模块、Z轴控制模块以及XY轴扫描控制和成像信号采集模块均连接；和/或

所述Z轴控制模块获取所述抬起控制信号以及所述XY轴扫描控制和成像信号采集模块的采样时钟。

4.根据权利要求3所述的开放式模块化的扫描探针显微镜控制系统，其特征在于，所述Z向控制信号为第一Z向控制信号、第二Z向控制信号或第三Z向控制信号；

所述第一Z向控制信号为所述Z轴控制模块基于接收到的所述光点水平信号、光点垂直信号、幅值和相位生成的信号；

所述第二Z向控制信号为所述上位机向所述Z轴控制模块发送的信号；

所述第三Z向控制信号为所述Z轴控制模块基于获取到的所述抬起控制信号和采样时钟生成的信号。

5.根据权利要求3所述的开放式模块化的扫描探针显微镜控制系统，其特征在于，所述Z轴控制模块将接收到的光点垂直信号或幅值与预设值进行比较，基于比较结果生成电机控制信号。

6.根据权利要求5所述的开放式模块化的扫描探针显微镜控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括电机控制模块，所述电机控制模块与所述Z轴控制模块连接，所述电机控制模块用于基于接收到的电机控制信号控制探针电机的工作状态。

7.根据权利要求2所述的开放式模块化的扫描探针显微镜控制系统，其特征在于，所述模拟信号调理和接口模块包括除法器、电压调理单元、单片机和显示设备，所述除法器的输入端与所述位置探测器连接，所述除法器的输出端与所述锁相放大模块和电压调理单元的输入端均连接，所述电压调理单元的输出端与所述单片机的输入端连接，所述单片机的输出端与所述显示设备连接。

8.根据权利要求1所述的开放式模块化的扫描探针显微镜控制系统，其特征在于，所述锁相放大模块包括OE1300系列模块化锁相放大器。

9.根据权利要求4所述的开放式模块化的扫描探针显微镜控制系统，其特征在于，所述Z轴控制模块包括第一多路切换器、FPGA子模块和第二多路切换器，所述第一多路切换器的输入端与所述模拟信号调理和接口模块、所述锁相放大模块均连接，所述第一多路切换器的输出端与所述FPGA子模块的输入端连接，所述FPGA子模块的输出端与所述第二多路切换器的输入端连接，所述第二多路切换器的输出端与所述XY轴扫描控制和成像信号采集模块连接。

10.根据权利要求1至9中任意一项所述的开放式模块化的扫描探针显微镜控制系统，其特征在于，所述模拟信号调理和接口模块、锁相放大模块、Z轴控制模块以及XY轴扫描控制和成像信号采集模块均设有独立的主控芯片。