CN102043070A - 反馈稳幅的调幅测力梯度仪及其扫描力显微镜和测频仪 - Google Patents
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Abstract
反馈稳幅的调幅测力梯度仪，含力传感器、力传感器信号检测器、压电振荡器、振幅检测器，压电振荡器上固定的力传感器经力传感器信号检测器输出至振幅检测器，其特征还含比较器、可变增益放大器、偏差信号放大器，比较器的信号输入和输出分别接振幅检测器输出和偏差信号放大器输入，可变增益放大器的增益控制输入和输出分别接偏差信号放大器输出和压电振荡器，该测力梯度仪的输出、频率输入和振幅设置输入分别由偏差信号放大器输出、可变增益放大器信号输入和比较器参考输入构成。将XYZ定位器置于样品与压电振荡器之间，就构成扫描力显微镜。该测力梯度仪也可测频率输入端的待测信号频率。本发明大大提高传统调幅测力梯度仪测速但不损失频率分辨率。
Description
技术领域
本发明涉及一种测力梯度仪，特别涉及一种反馈稳幅的振幅调制测力梯度仪以及用其制成的扫描力显微镜和测频仪，属于扫描探针显微镜技术领域。
背景技术
原子力显微镜主要的成像模式包括接触模式和非接触模式。前者虽也能给出周期性的品格图像，但不是真正的原子分辨率(因为测量的是许多探针原子与许多样品原子间的总作用)，只有后者才能给出真正的原子分辨图像(true atomic resolution)，是比前者重要得多的成像模式。在非接触模式中，探针不与样品接触，而是通过力传感器带动在样品上方振动，并通过测量扫描过程中力传感器动态共振频率ω0的变化来对探针与样品间的作用力梯度F’进行成像。所以，非接触模式的成像质量直接受限于其对力传感器动态共振频率ω0的分辨能力。非接触模式早期是通过调幅法实现的：信号产生器以力传感器动态共振频率ω0附近的某一固定频率ω00驱动力传感器振动，而在扫描过程中探针与样品间作用力梯度F’的变化会导致力传感器的振幅Asr发生变化，该振幅变化被转换成电压信号来成像。该方法的优点是：对于品质因子Q很高的力传感器，其振幅对其动态共振频率ω0变化的响应灵敏度很高，有很高的频率分辨率，因为高品质因子Q的力传感器的共振峰很尖锐。但这种方法也有一个致命的缺点：品质因子Q越高，振幅响应的时间越长，导致成像时间长到难以忍受。所以，这种调幅非接触模式问世后不久就被调频非接触模式淘汰，虽然后者的频率分辨率较低。这种淘汰是很彻底的，至今已见不到调幅非接触模式的使用了。
本发明提出一种新的调幅非接触模式：驱动力传感器振动的频率依然是固定的，但振幅由一个闭环反馈控制回路维持不变，既然力传感器振幅维持不变，就不需要很长的响应时间了，而成像信号可以来自维持力传感器振幅不变的驱动调制信号。我们已用此法成功地在高Q振动条件下实现了快速成像，而且，如我们所预料的那样：成像质量很高，且速度快到可以接受的地步。
这种技术不仅适用于原子力显微镜，也适用于其它扫描力显微镜，如磁力显微镜，扫描摩擦力显微镜，扫描静电力显微镜等，还可以用来直接测量未知信号的频率。
发明内容
本发明的目的：为解决上述缺陷，提出一种能提高调幅非接触测力梯度模式测量速度的反馈稳幅的调幅测力梯度仪以及用其制成的扫描力显微镜和测频仪。
本发明实现上述目的的技术方案是：
本发明反馈稳幅的调幅测力梯度仪，包括力传感器、力传感器信号检测器、压电振荡器、振幅检测器，力传感器固定于压电振荡器上，力传感器输出至力传感器信号检测器，力传感器信号检测器输出至振幅检测器的输入，其特征在于还包含比较器、可变增益放大器、偏差信号放大器，所述比较器的信号输入和输出的偏差信号分别接振幅检测器的输出和偏差信号放大器的输入，所述可变增益放大器的增益控制输入和输出分别接偏差信号放大器输出和压电振荡器，本发明反馈稳幅的调幅测力梯度仪的输出、频率输入和振幅设置输入分别由偏差信号放大器的输出、可变增益放大器的信号输入和比较器的参考输入构成。
所述偏差信号放大器为如下之一：(a)比例放大器P，(b)积分器I，(c)比例-积分器PI，(d)比例-微分器PD，(e)积分-微分器ID，(f)比例-积分-微分器PID。
所述可变增益放大器由乘法器构成，其两个输入分别构成所述可变增益放大器的信号输入和增益控制输入。
所述振幅检测器为如下之一：(a)均方根到直流转换器，(b)两输入端短接成一个输入端的乘法器输出到一个低通滤波器。
所述力传感器为微悬臂或石英音叉。
所述力传感器为微悬臂，所述力传感器信号检测器是反射激光位置敏感探测器。
所述力传感器为石英音叉，所述力传感器信号检测器是电流到电压转换器。
所述力传感器为压阻微悬臂，所述力传感器信号检测器是测阻电桥。
反馈稳幅的调幅测力梯度仪构成的扫描力显微镜，其特征是包括样品、探针、XYZ定位器和所述反馈稳幅的调幅测力梯度仪，所述探针固定于力传感器上，XYZ定位器置于样品与压电振荡器之间。
反馈稳幅的调幅测力梯度仪构成的测频率器，其特征是包括频率待测信号和所述反馈稳幅的调幅测力梯度仪，所述频率待测信号接所述反馈稳幅的调幅测力梯度仪的频率输入。
本发明反馈稳幅的调幅测力梯度仪的工作原理为：力传感器固定于压电振荡器上，力传感器输出至力传感器信号检测器，力传感器对待测力的梯度F′的响应由力传感器信号检测器转化为易处理的电信号Vsr(F′)，其振幅大小由其后的振幅检测器测出，设为VAPL，该振幅信号VAPL被送至比较器以获得它与用户用以设定振幅的电压Vset-point(接本发明反馈稳幅的调幅测力梯度仪的振幅设置输入)间的偏差信号Verror，该偏差信号Verror被其后的偏差信号放大器放大、处理后成为更强的偏差信号Verror2，该信号通过可变增益放大器来调制用户通过本发明反馈稳幅的调幅测力梯度仪的频率输入而输入的振荡信号的振幅，该振幅调制了的振荡信号VDP驱动压电振荡器振荡并带动力传感器振荡。上述闭合回路构成了力传感器恒振幅振动的反馈控制回路：力传感器振幅的变化导致不为零的偏差信号Verror，它被放大后去调制驱动力传感器振动的驱动信号的振幅，使得偏差信号Verror保持在O附近，即维持力传感器振幅近乎恒定。与传统调幅模式的力梯度测量相比，本发明以振幅调制了的驱动信号去驱动力传感器振动可使力传感器在受到来自样品的变化的力梯度F′作用时依然能保持很好的恒幅振动，这就不需要花很长的等待时间去逐点等待力传感器的振幅稳定到该点力梯度F′所要求的振幅值，大大缩短了测量时间，实现了本发明的目的。既然力传感器的振幅恒定，就不能用其振幅信号直接成像，而是把调制力传感器做恒幅振动的调制信号，即：偏差信号放大器的输出信号，作为待测力梯度F′的测量结果输出。根据我们的实测数据，本发明可提高测量速度20倍以上，且保持了调幅模式原有的高频率分辨率。
根据上述原理，力传感器是通过其振动来感应待测力梯度F′的，故可以是任何可振动的力感应器，包括：微悬臂(cantilever)、压阻微悬臂(piezo-resistive cantilever)、石英音叉(quartz fork)，压电振荡片等。所述力传感器信号检测器是用来把力传感器的感应输出转换成易处理的电信号的，它对于微悬臂、压阻微悬臂和石英音叉力传感器分别为反射激光位置敏感探测器、测阻电桥和电流到电压转换器。所述振幅检测器是用来检测振荡信号的振幅，可选用均方根到直流转换器(RMS to DC converter)或两输入端短接成一个输入端的乘法器后接一个低通滤波器。所述可变增益放大器是用于对一个振荡驱动信号的振幅进行调制的，可以是一个压控放大器或乘法器，对于后者，被乘的两个信号一个是待调制的振荡驱动信号，另一个是调制信号。所述偏差信号放大器用于将小的偏差信号进行放大、处理成更强的控制信号，可选为：比例放大器(P)、积分器(I)、比例-积分器(PI)、比例-微分器(PD)、积分-微分器(ID)或比例-积分-微分器(PID)。
根据上述原理，本发明反馈稳幅的调幅测力梯度仪可用以制成相应的扫描力显微镜：用XYZ定位器连接固定有探针的力传感器和待测样品，用以调节和控制探针相对于样品的位置并实现探针相对于样品的扫描。本发明反馈稳幅的调幅测力梯度仪还可用以制成相应的测频仪：将所述频率待测信号接所述反馈稳幅的调幅测力梯度仪的频率输入，该频率待测信号的频率在所述力传感器共振频率附近变化时会激起本发明反馈稳幅的调幅测力梯度仪的响应。
本发明的有益效果体现在：可提高测量速度20倍以上(Q越高则增速的倍数越大)，且保持了调幅模式原有的高频率分辨率。
附图说明
图1是本发明基本型反馈稳幅的调幅测力梯度仪的结构示意图。
图2是使用本发明基本型反馈稳幅的调幅测力梯度仪制成的扫描力显微镜的结构示意图。
图中标号：SR力传感器、DP压电振荡器、SSD力传感器信号检测器、APD振幅检测器、CP比较器、ESP偏差信号放大器、VG可变增益放大器、Vin1本发明反馈稳幅的调幅测力梯度仪的频率输入、Vin2本发明反馈稳幅的调幅测力梯度仪的振幅设置输入、Vout本发明反馈稳幅的调幅测力梯度仪的输出、XYZ XYZ定位器、tip探针、smp样品。
以下通过具体实施方式和结构附图对本发明作进一步的描述。
具体实施方式
实施例1：基本型反馈稳幅的调幅测力梯度仪
参见附图1，本实施例包括力传感器SR、力传感器信号检测器SSD、压电振荡器DP、振幅检测器APD，力传感器SR固定于压电振荡器DP上，力传感器SR输出至力传感器信号检测器SSD，力传感器信号检测器SSD输出至振幅检测器APD的输入，其特征在于还包含比较器CP、可变增益放大器VG、偏差信号放大器ESP，所述比较器CP的信号输入和输出的偏差信号分别接振幅检测器APD的输出和偏差信号放大器ESP的输入，所述可变增益放大器VG的增益控制输入和输出分别接偏差信号放大器ESP输出和压电振荡器DP，本发明反馈稳幅的调幅测力梯度仪的输出Vout、频率输入Vin1和振幅设置输入Vin2分别由偏差信号放大器ESP的输出、可变增益放大器VG的信号输入和比较器CP的参考输入构成。
本实施例的工作原理为：力传感器SR输出至力传感器信号检测器SSD，力传感器SR对待测力的梯度F′的响应由力传感器信号检测器SSD转化为易处理的电信号Vsr(F′)，其振幅大小由其后的振幅检测器APD测出，设为VAPL，该振幅信号VAPL被送至比较器CP以获得它与用户用以设定振幅的电压Vset-point(接本发明反馈稳幅的调幅测力梯度仪的振幅设置输入Vin2)间的偏差信号Verror，该偏差信号Verror被其后的偏差信号放大器ESP放大、处理后成为更强的偏差信号Verror2，该信号通过可变增益放大器VG来调制用户通过本发明反馈稳幅的调幅测力梯度仪的频率输入Vinl而输入的振荡信号的振幅，该振幅调制了的振荡信号VDP驱动压电振荡器DP振荡并带动力传感器SR振荡。上述闭合回路构成了力传感器SR恒振幅振动的反馈控制回路：力传感器SR振幅的变化导致不为零的偏差信号Verror，它被放大后去调制驱动力传感器SR振动的驱动信号的振幅，使得偏差信号Verror保持在O附近，即维持力传感器SR振幅近乎恒定。与传统调幅模式的力梯度测量相比，本发明以振幅调制了的驱动信号去驱动力传感器SR振动可使力传感器SR在受到来自样品的变化的力梯度F′作用时依然能保持很好的恒幅振动，这就不需要花很长的等待时间去逐点等待力传感器SR的振幅稳定到该点力梯度F′所要求的振幅值，大大缩短了测量时间，实现了本发明的目的。既然力传感器SR的振幅恒定，就不能用其振幅信号直接成像，而是把调制力传感器SR做恒幅振动的调制信号，即：偏差信号放大器ESP的输出信号，作为待测力梯度F′的测量结果输出。根据我们的实测数据，本发明可提高测量速度20倍以上，且保持了调幅模式原有的高频率分辨率。
实施例2：各种不同类型力传感器的反馈稳幅的调幅测力梯度仪
上述实施例中，力传感器SR是通过其振动来感应待测力梯度F′的，故可以是任何可振动的力感应器，包括：微悬臂(cantilever)、压阻微悬臂(piezo-resistivecantilever)、石英音叉(quartzfork)，压电振荡片等。所述力传感器信号检测器SSD是用来把力传感器SR的感应输出转换成易处理的电信号的，它对于微悬臂、压阻微悬臂和石英音叉力传感器分别为反射激光位置敏感探测器、测阻电桥和电流到电压转换器。
实施例3：各种不同类型振幅检测器的反馈稳幅的调幅测力梯度仪
上述实施例中，所述振幅检测器APD是用来检测振荡信号的振幅，可选用均方根到直流转换器(RMS to DC converter)或两输入端短接成一个输入端的乘法器后接一个低通滤波器。
实施例4：各种不同类型可变增益放大器的反馈稳幅的调幅测力梯度仪
上述实施例中，所述可变增益放大器VG是用于对一个振荡驱动信号的振幅进行调制的，可以是一个压控放大器或乘法器，对于后者，被乘的两个信号一个是待调制的振荡驱动信号，另一个是调制信号。
实施例5：各种不同类型偏差信号放大器的反馈稳幅的调幅测力梯度仪
上述实施例中，所述偏差信号放大器ESP用于对小的偏差信号进行放大、处理成更强的控制信号，可选为：比例放大器(P)、积分器(I)、比例-积分器(PI)、比例-微分器(PD)、积分-微分器(ID)或比例-积分-微分器(PID)。
实施例5：本发明反馈稳幅的调幅测力梯度仪制成的扫描力显微镜
上述实施例1中，根据其工作原理，本发明反馈稳幅的调幅测力梯度仪可用以制成相应的扫描力显微镜：用XYZ定位器XYZ连接固定有探针tip的力传感器SR和待测样品smp，用以调节和控制探针tip相对于样品smp的位置并实现探针tip相对于样品smp的扫描。
实施例6：本发明反馈稳幅的调幅测力梯度仪制成的测频仪
上述实施例1中，根据其工作原理，本发明反馈稳幅的调幅测力梯度仪可用以制成测频仪：其特征是包括频率待测信号和所述反馈稳幅的调幅测力梯度仪，所述频率待测信号接所述反馈稳幅的调幅测力梯度仪的频率输入Vin1。
Claims (10)
1.一种反馈稳幅的调幅测力梯度仪，包括力传感器、力传感器信号检测器、压电振荡器、振幅检测器，力传感器固定于压电振荡器上，力传感器输出至力传感器信号检测器，力传感器信号检测器输出至振幅检测器的输入，其特征在于还包含比较器、可变增益放大器、偏差信号放大器，所述比较器的信号输入和输出的偏差信号分别接振幅检测器的输出和偏差信号放大器的输入，所述可变增益放大器的增益控制输入和输出分别接偏差信号放大器输出和压电振荡器，本发明反馈稳幅的调幅测力梯度仪的输出、频率输入和振幅设置输入分别由偏差信号放大器的输出、可变增益放大器的信号输入和比较器的参考输入构成。
2.根据权利要求1所述的反馈稳幅的调幅测力梯度仪，其特征是所述偏差信号放大器为如下之一：(a)比例放大器P，(b)积分器I，(c)比例-积分器PI，(d)比例-微分器PD，(e)积分-微分器ID，(f)比例-积分-微分器PID。
3.根据权利要求1或2所述的反馈稳幅的调幅测力梯度仪，其特征是所述可变增益放大器由乘法器构成，其两个输入分别构成所述可变增益放大器的信号输入和增益控制输入。
4.根据权利要求1或2所述的反馈稳幅的调幅测力梯度仪，其特征是所述振幅检测器为如下之一：(a)均方根到直流转换器，(b)两输入端短接成一个输入端的乘法器输出到一个低通滤波器。
5.根据权利要求1或2所述的反馈稳幅的调幅测力梯度仪，其特征是所述力传感器为微悬臂或石英音叉。
6.根据权利要求5所述的反馈稳幅的调幅测力梯度仪，其特征是所述力传感器为微悬臂，所述力传感器信号检测器是反射激光位置敏感探测器。
7.根据权利要求5所述的反馈稳幅的调幅测力梯度仪，其特征是所述力传感器为石英音叉，所述力传感器信号检测器是电流到电压转换器。
8.根据权利要求5所述的反馈稳幅的调幅测力梯度仪，其特征是所述力传感器为压阻微悬臂，所述力传感器信号检测器是测阻电桥。
9.一种由权利要求1所述反馈稳幅的调幅测力梯度仪构成的扫描力显微镜，其特征是包括样品、探针、XYZ定位器和所述反馈稳幅的调幅测力梯度仪，所述探针固定于力传感器上，XYZ定位器置于样品与压电振荡器之间。
10.一种由权利要求1所述反馈稳幅的调幅测力梯度仪构成的测频率器，其特征是包括频率待测信号和所述反馈稳幅的调幅测力梯度仪，所述频率待测信号接所述反馈稳幅的调幅测力梯度仪的频率输入。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20130417 Termination date: 20191022 |
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