專利名稱：一種適用于輕敲模式原子力顯微鏡針尖與樣品間距的檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種對距離的檢測裝置，更特別地說，是指一種適用于輕敲模式原子 力顯微鏡針尖與樣品間距的檢測裝置。 # 胃 ^ *
1986年，Binnig和Quate發(fā)明了原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope, AFM)。原子力顯微鏡利用在一個柔性懸臂梁上的很細(xì)的探針接近被測表面，當(dāng)被測 表面做橫向掃描時，表面高低起伏變化改變了表面和探針的間距，從而改變了兩者間 的相互作用力~~M子力，通過縱向移動針尖或樣品，保持職的原子力來測量表面 輪廓，分辨率可達(dá)納米量級。
' 作用在樣品與針尖之間的原子力的檢測與反饋控制是原子力顯微鏡的一個重要 組成部分。它使得針尖能夠保持在樣品上方的一個恒定的離度上。對于原子間作用力 的檢測方式可以分為三種接觸式、非接觸式和輕敲模式。
清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)2001年第41巻第6期中公開了一種敲擊模式掃
描近場光學(xué)顯微鏡。該顯微鏡在有電壓激勵時，雙壓電晶片發(fā)生振動，從而驅(qū)動音叉
和 在垂直樣品的方向上振動，通過音叉兩個電極之間的電壓差，獲得針尖與樣品
之間的距離。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種適用于輕敲模式原子力顯微鏡針尖與樣品間距的檢測 裝置，該檢淵裝置采用激勵電壓信號作為驅(qū)動音叉振動的方式，然后通過襝測流經(jīng)音 叉的電流來確定針尖與樣品之間的距離。本發(fā)明提出的距離襝淵釆用鎖相放大的處理 手段，在得到樣品形貌ffl像的同時可以得到相位圖像。本發(fā)明設(shè)計的探測器的結(jié)構(gòu)更 加簡單、體積小、可靠性離。
本發(fā)明設(shè)計的輕敲模式原子力顯微鏡在具有一般顯微鏡的掃描器、PID控制器和 探測器以外，還在PID控制器上分別連接有DDS信號發(fā)生電路和鎖相放大電路。
DDS信號發(fā)生電路根據(jù)PID控制，出的控制頻率F產(chǎn)生激勵電壓信號雄)， 該激勵電壓信號/^)一方面作用在探測器上，另一方面作用在鎖相放大電路上。鎖相放大電路包括有檢測通道部分和參考通道部分。其中，檢測通道部分的信息 處理為第一運箅放大器11對接收的實時檢測電流信號X(O進(jìn)行電流與電壓的轉(zhuǎn)換 處理得到電壓信號^輸出；帶通濾波器12對接收的電壓信號/u進(jìn)行濾除帶外噪聲 處理后得到振動電壓信號/;2;第一乘法器13對接收韻振動電壓信號^和激勵電壓 信號辨0進(jìn)行模擬乘法運算得到第一混頻信號/13 ;第一低通濾波器14對接收的第一 混頻信號,3進(jìn)行濾除高頻分量處理，得到第一差頻信號/4;第二運箅放大器15對 接收的第一差頻信號,4進(jìn)行幅度調(diào)理，得到同相電壓信號/W輸出。
其中，參考通道部分的信息處理為移相電路21對接收的激勵電壓信號雄)進(jìn)
行移相^處理，得到移相信號/21;第二乘法器22對接收的移相信號/21和振動電 壓信號厶進(jìn)行模擬乘法運算得到第二混頻信號/22;第二低通濾波器23對接收的第
二混頻信號/22進(jìn)行濾除高頻分量處理，得到第二差頻信號/23;第三運箅放大器24 對接收的第二差頻信號&進(jìn)行幅度調(diào)理，得到正交電壓信號2W輸出。
本發(fā)明設(shè)計的由雙臂石英音叉1和採針2組成，探針2粘接在雙臂右英音叉1 的B支臂lb的端部，且針尖向下，針尖與樣品臺3的間距記為d， d-l"m 100 mn 。本發(fā)明選取的探針2可以是一段單模光纖或者金屬絲(如鑄絲、鈷銥絲等)， 探針2的針尖可以采用化學(xué)腐蝕工藝制成錐形。本發(fā)明選取的雙臂石英音叉1的連 接端lc安裝在輕敲模式原子力顯微鏡的一個支架上。在加載有鵬電壓信號鄧)時， 雙臂石英音叉1的A支臂la和B支臂lb將產(chǎn)生反向?qū)ΨQ形式的振動，然后通過鎖 相放大電路實時檢測雙臂石英音叉1在振動時產(chǎn)生的電流尤(f)。'
本發(fā)明的針尖與樣品之間間距的檢測裝置的優(yōu)點布于
(1) 采用DDS信號發(fā)生電路產(chǎn)生的激勵電壓信號去驅(qū)動雙臂石英音叉，改變了現(xiàn) 有采用雙壓電晶片產(chǎn)生振動的方式，提高了雙臂石英音叉搌槭的可控性，從而 使得採測器的針尖與樣品的間艇控制精度得到提商。
(2) 在鎖相放大電路中采用雙通道模式分別對激勵電壓信號和實時檢測電流信號 進(jìn)行處瑰，能夠同時獲得樣品形貌圖像和相位圖像，擴(kuò)大了原子力顯微鏡的使 用范圍。
(3) 對鎖相放大電路輸出的兩路具有相位差^的同相信號和正交信號能夠控制 掃描器的Z向掃描精度。(4〉通過PID控制，出的頻率控制信號對DDS信號發(fā)生電路進(jìn)行頻率控制，有 利于提髙 電壓信號的頻率精度，頻率精度可達(dá)O.life。
(5) 由于本發(fā)明的輕敲模式原子力顯微鏡采用電路形式實現(xiàn)針尖與樣品之間間距 的自感知檢測，結(jié)構(gòu)簡單、體積小、功耗低。
(6) 本發(fā)明設(shè)計的適用于輕敲模式原子力顯微鏡的針尖與樣品之間間距檢測裝置， 能夠應(yīng)用于太空環(huán)境。


圖1是本發(fā)明檢測裝置的結(jié)構(gòu)框圖。
圖2是本發(fā)明鎖相放大電路的處理結(jié)構(gòu)框圖。
圖2A和圖2B是本發(fā)明鎖相放大電路的電路原理圖。
圖3是本發(fā)明探測器與樣品臺的裝配圖。
圖3A是本發(fā)明探淵^^樣品臺的主視圖。
圖4是本發(fā)明輕敲模式原子力顯微鏡掃描得到的二維光柵樣品形貌圖像。 圖5是本發(fā)明輕自式原子力顯,掃描得到的二維光柵樣品相位圖像。
具體實施例方式
下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明ifct—步的詳細(xì)說明。
參見圖1所示，本發(fā)明設(shè)計的輕敲模式原子力顯微鏡在具有一般顯微鏡的掃描 器、PID控制器和探測器以外，還在PID控制器上分別連接有DDS信號發(fā)生電路和 鎖相放大電路。安裝有DDS信號發(fā)生電路和鎖相放大電路的原子力顯微鏡除了能夠 ，原有原子力顯微鏡的功能以外，還能夠?qū)崿F(xiàn)對採測器中l(wèi)i^與樣品之間的間距d 進(jìn)行檢測，這也是本發(fā)明專利申請要保護(hù)的內(nèi)容， 一種適用于輕鹼模g子力顯微鏡 針尖與樣品間距的檢測裝置。 (—)掃描器
在本發(fā)明中，掃描器接收PID控制驟輸出的控制啟動指令，并按照該控制啟動 指令雌品進(jìn)行三l^描，獲取樣品的形貌信息； (二) PID控制器
在本發(fā)明中，PID控制器第一方面輸出控制頻率F給DDS信號發(fā)生電路；第二 方面對接收的鎖相放大電路輸出的同相電壓信號和正交電壓信號g(O進(jìn)行合并 后輸出控制頻率F;第三方面輸出的控制啟動指令給掃描器。在控制頻率F下產(chǎn)生 的激勵電壓信號風(fēng)f)能夠調(diào)節(jié)控制針尖與樣品之間的間距恒定。(三) 探測器
參見圖3、圖3A所示，本發(fā)明設(shè)計的由雙臂石英音叉1和探針2組成，探針2 粘接在雙臂石英音叉1的B支臂lb的端部，且針尖向下，針尖與樣品臺3的間距記 為fi , ^-l柳 100";n。本發(fā)明選取的探針2可以是一段J^莫光纖或者金屬絲(如 鎢絲、鈾銥絲等)，探針2的針尖可以采用化學(xué)腐蝕工藝制成錐形。本發(fā)明選取的雙臂 石英音叉1的連接端lc安裝在輕敲模^子力顯^^鏡的一個支架上。在加載有TO 電壓信號辨O時，雙臂石英音叉1的A支臂la和B支臂lb將產(chǎn)生反向?qū)ΨQ形式的 振動，然后通過鎖相放大電路實時檢測雙臂石英音叉1在振動時產(chǎn)生的電流尤(O。
(四) DDS信號發(fā)生電路
在本發(fā)明中，DDS信號發(fā)生電路根據(jù)PID控制維輸出的控制頻率F產(chǎn)生激勵電
壓信號邵)，該激勵電壓信號雄)一方面作用在探測器上，另一方面作用在鎖相放大 電路上。在本發(fā)明中，DDS信號發(fā)生^0采用AD公司生產(chǎn)的AD9831芯片，該 AD9831芯片的一輸入接口與PID控制器連接，實現(xiàn)接收控制頻率F,該AD9831 芯片的其中一輸出接口與探測器連接，實現(xiàn)在激勵電壓信號辨O下使雙臂石英音叉1 的A支臂la和B支臂lb產(chǎn)生反向?qū)ΨQ形式的振動，該AD9831芯片的另一輸出 接口與鎖相放大電路連接,從而通過鎖相放大電路對實時采集的電流信號與接收的激 勵電壓信號雄)分別進(jìn)行鎖相與幅值提取。由于說明了選取的芯片型號，以及相對簡 單的一進(jìn)兩出的連接方式,故發(fā)明人未對DDS信號發(fā)生,的電路原理圖進(jìn)行說明。 .(五)鎖相放大電路
參見圖2所示，鎖相放大％||包括有襝測通道部分和參考通道部分。其中，檢 測通道部分的信息處理為
第一運算放大器11對接收的實時檢測電流倍號X(f)進(jìn)行電流與電壓的轉(zhuǎn), 理得到電壓信號A輸出；
帶通濾波器12對接收的電壓信號/ 進(jìn)行濾除帶外噪聲處理后得到振動電壓信
號X"
第一乘法器13對接收的振動電壓信號^和激勵電 信號i (《)進(jìn)行模擬乘法運 算得到第一混頻信號/13;第一低通濾波器14對接收的第一混頻信號,3進(jìn)行濾除高頻分量處理,得到第一
差頻信號,4;
第二運算放大器15對接收的第一差頻信號/4進(jìn)行幅度調(diào)理，得到同相電壓信號 W)輸出。
其中，參考通道部分的信息處理為
移相電路21對接收的M電壓信號雄)進(jìn)行移相^處理，得到移相信號/21;
第二乘法器22對接收的移相信號/21和振動電壓信號/12進(jìn)行模擬乘法運箅得到 第二混頻信號/22;
第二低通濾波器23對接收的第二混頻信號/a進(jìn)行濾除高頻分量處理，得到第 二差頻信號/23;
第三運算放大器24對接收的第二差頻信號/23進(jìn)行幅度調(diào)理，得到正交電壓信
號0W輸出。
鎖相放大電路的電路原理圖如圖2A、圖2B所示，鎖相放大fe]^接收的實時檢 淵電流信號義(0被連接到第一運箅放大器OP27AZ芯片Ul的2端，芯片Ul的2 端通過電容C1連接U1的6端；
U1的2端通過電阻R1、電阻R2、電阻R3分別連接到通路選擇開關(guān)P4的1 端、3端、5端，通路選擇開關(guān)P4的2端、4端、6端連接到芯片U1的6端；
芯片Ul的3端經(jīng)電阻R5接 地，芯片Ul的4端連+ 15V電源，芯片Ul 的7端接-15V電源；
芯片Ul的6纗分別與第一平衡調(diào)制解調(diào)AD630KN芯片U4的2端、16端， 以及第二平衡調(diào)制解調(diào)AD630KN芯片U5的2端、16端連接。
鎖栩放大電路接收的激li電壓信號及(O經(jīng)電阻R7連接到第二運算放大器 OP27A2芯片U2的2端，同時 電皮信號風(fēng)O經(jīng)可調(diào)電阻Rl 1連接到第二運箅 放大器OP27AZ芯片U2的3端，可調(diào)電阻Rl 1的}端與3端相連；第二運算放 大器OP27AZ芯片U2的3端經(jīng)電容C2接模擬地。
U2的2端通過R6連接到U2的6端，4端連接到+ 15V電源，7端連接到一 15V電源。
U2的6端連接到第一平衡調(diào)制解調(diào)AD630KN芯片U4的10端。
8第一平衡調(diào)制解調(diào)AD630KN芯片U4的20端、19端和15端相連，使第一 平衡調(diào)制解調(diào)AD630KN芯片U4工作在解調(diào)模式下； U4的18端、9端和14端接模擬地。 U4的8端接—15V電源，U4的11端接+15V電源。
U4的12端與13端相接后,并通過兩級低通濾波后連接在運算放大器OP27AZ 芯片U22的3端；
電阻R27與電容C23構(gòu)成第一級低通濾波電路； 電阻R28與電容C24構(gòu)成第二級低通濾波電路； 通過R27和R28連接到U22的3端。
鎖相放大電路接收的麵電壓信號鄧)經(jīng)第二平衡調(diào)制解調(diào)AD630KN芯片的 IO端輸入，U5的20端、19端和15端相連，使第二平衡調(diào)制解調(diào)AD630KN芯 片U5工作在解調(diào)模式下；
U5的歸、9端和14端接模擬地。
U5的8端接一15V電源，U5的11鳙接+15V電源。
U5的12孅與13端相接后,并通過兩級低通濾波后連接在運箅放大器OP27AZ 芯片U24的3端；
電阻R15與電容C17構(gòu)成第一級低通濾波電路； 龜阻R16與電容C18構(gòu)成第二級低通濾波電路；
運箅放大器Ol 27AZ芯片U22的2端經(jīng)電阻R26后接鄉(xiāng)地，且2端通過電 阻R22與6端連接，4纖接+15V電源，7襯接一15V電據(jù)，6麟通過電阻R24和 低通濾波電路后與運棘放大器OP27^Z芯片U21的3孅連接。
電取R25與電容C22構(gòu)成繊濾波電路；
電組R24與電阻R25之簡連接有^容C21的1端，電容C21的2娥與U21 的6孅連接o
運算放大器OP27AZ芯片U21的2端經(jīng)電阻R23后接模擬地，4端接+ 15V 電源，7端接一15V電源，2端通過電阻R22后與6端連接，該6端用于輸出正交 信號郎)給HD控制器。運箅放大器OP27AZ芯片U24的2端經(jīng)電阻R14后接模擬地，且2端通過電 阻R10與6端連接，4端接+15V電源，7端接一15V電源，6端通過電阻R12和 低通濾波電路后與運算放大器OP27AZ芯片U23的3端連接。
電阻R13與電容C16構(gòu)成低通濾波電路；
電阻R12與電阻R13之間連接有電容C15的1端，電容C15的2端與U23 的6端連接。
運算放大器OP27AZ芯片U23的2端經(jīng)電阻Rl 1后接，莫擬地，4端接+ 15V 電源，7端接一15V電源，2端通過電阻R19后與6端連接，該6端用于輸出同相 電壓信號/(0給PID控制器。
本發(fā)明的一種適用于輕敲模式原子力顯微鏡針尖與樣品間距的檢測裝置，當(dāng) 電壓信號辨O驅(qū)動雙臂石英音叉共振時，音叉達(dá)到最大振幅，由于壓電效應(yīng)此時流過 音叉的電流幅度最大。如果光纖探針接近樣品，針尖與樣品之間會產(chǎn)生相互作用的原 子力，音叉的振幅減小，流過音叉的電流也隨之減小。通過檢測流過音叉電流的變化， 就可實現(xiàn)樣品針尖間距的檢測與距離控制。此外檢測電流與參考信號的相位差變化或 者電流幅度及相位的一 同變化也可以實現(xiàn)探針與樣品之間的距離控制。
為了驗證本發(fā)明的間距襝測裝置，選取臂長為3mm 6mm長的雙臂石英音叉， 由凱擎東光電子公司(KOAN)生產(chǎn)的引線型晶體諧振器K-3X8或K-2X6去掉金 屬外殼得到。將光,針按照圖3所示粘接在音叉臂的頂端端面上。將黃叉的底座 粘接在原子力顯微鏡的本體上。通過導(dǎo)線使音叉的兩個電極分別與DDS信號發(fā)生電 路的輸出端和鎖相放大電巢的輸入端連接。
預(yù)調(diào)節(jié)光纖探針與樣品臺的間距^,使光纖採針緩頓近樣品直到^ = 100"附。 設(shè)定掃描器的掃描范嵐10//挑X 10//w ，設(shè)定PID控制器的P和I的參數(shù)。 工作時,先根據(jù)PID控制器產(chǎn)生的頻率控制信號F來調(diào)節(jié)DDS信號發(fā)生電路產(chǎn) 生的激勵電壓信號雄)的頻率,探淵器在 電壓信號邵)的條件下對針尖與樣品間 的距離迸行檢測，PID控制器通過調(diào)節(jié)掃描器的Z向輸出來維持針尖與樣品間的距離 恒定；通過記錄掃描器的Z向輸出值，獲取樣品的形貌圖像(圖4所示)。通過記錄 檢測電流信號^^)與 電壓信號雄)之間的相位差，來獲取樣品的相位圖像(圖5 所示)。
權(quán)利要求
1、一種適用于輕敲模式原子力顯微鏡針尖與樣品間距的檢測裝置，該輕敲模式原子力顯微鏡包括有掃描器、PID控制器，其特征在于還包括有探測器、DDS信號發(fā)生電路和鎖相放大電路；探測器由雙臂音叉(1)和探針(2)組成，探針(2)粘接在雙臂音叉(1)的B支臂(1b)的端部，且針尖向下，針尖與樣品臺(3)的間距記為d，d＝1nm～100nm；探針(2)的針尖為錐形；雙臂音叉(1)的連接端(1c)安裝在輕敲模式原子力顯微鏡的一個支架上；在加載有激勵電壓信號R(t)時，雙臂音叉(1)的A支臂(1a)和B支臂(1b)將產(chǎn)生剪切形式的振動，然后通過鎖相放大電路實時檢測雙臂音叉(1)在振動時產(chǎn)生的電流X(t)；DDS信號發(fā)生電路根據(jù)PID控制器輸出的控制頻率F產(chǎn)生激勵電壓信號R(t)，該激勵電壓信號R(t)一方面作用在探測器上，另一方面作用在鎖相放大電路上；鎖相放大電路包括有檢測通道部分和參考通道部分；所述的檢測通道部分的信息處理為第一運算放大器11對接收的實時檢測電流信號X(t)進(jìn)行電流與電壓的轉(zhuǎn)換處理得到電壓信號f11輸出；帶通濾波器12對接收的電壓信號f11進(jìn)行濾除帶外噪聲處理后得到振動電壓信號f12；第一乘法器13對接收的振動電壓信號f12和激勵電壓信號R(t)進(jìn)行模擬乘法運算得到第一混頻信號f13；第一低通濾波器14對接收的第一混頻信號f13進(jìn)行濾除高頻分量處理，得到第一差頻信號f14；第二運算放大器15對接收的第一差頻信號f14進(jìn)行幅度調(diào)理，得到同相電壓信號1(t)輸出；所述的參考通道部分的信息處理為移相電路21對接收的激勵電壓信號R(t)進(jìn)行移相π/2處理，得到移相信號f21；第二乘法器22對接收的移相信號f21和振動電壓信號f12進(jìn)行模擬乘法運算得到第二混頻信號f22；第二低通濾波器23對接收的第二混頻信號f22進(jìn)行濾除高頻分量處理，得到第二差頻信號f23；第三運算放大器24對接收的第二差頻信號f23進(jìn)行幅度調(diào)理，得到正交電壓信號Q(t)輸出。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于輕敲模式原子力顯微鏡針尖與樣品間距的檢測裝 置，其特征在于雙臂石英音叉(1)選取凱擎東光電子公司生產(chǎn)的K-3X8或 K-2X6弓I線型晶體諧振器。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于輕敲模^M子力顯微鏡針尖與樣品間距的襝測裝 置，其特征在于DDS信號發(fā)生電路選取AD公司生產(chǎn)的AD9831芯片。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于輕敲模式原子力顯微鏡針尖與樣品間距的檢測裝 置，其特征在于探針(2)是一段 光纖或者金屬絲。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于輕敲模式原子力顯微鏡針尖與樣品間距的檢測裝 置，其特征在于對針尖與樣品臺(3)之間間距^的檢測采用了鎖相放大的處理 手段，在得到樣品形貌圖像的同時也得到了相位圖像。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種適用于輕敲模式原子力顯微鏡針尖與樣品間距的檢測裝置，該檢測裝置是在現(xiàn)有原子力顯微鏡的PID控制器上分別連接有DDS信號發(fā)生電路和鎖相放大電路，以及對探測器進(jìn)行改進(jìn)，本發(fā)明中的探測器由雙臂石英音叉和探針組成。在信息檢測方面本發(fā)明采用激勵電壓信號作為驅(qū)動音叉振動的方式，然后通過檢測流經(jīng)音叉的電流來確定針尖與樣品之間的距離。本發(fā)明提出的距離檢測采用鎖相放大的處理手段，在得到樣品形貌圖像的同時可以得到相位圖像。本發(fā)明設(shè)計的探測器的結(jié)構(gòu)更加簡單、體積小、可靠性高。
文檔編號G01N13/16GK101592582SQ20091008776
公開日2009年12月2日 申請日期2009年6月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月26日
發(fā)明者華寶成, 淵 李, 李英姿, 勇 楊, 錢建強 申請人:北京航空航天大學(xué)