專利名稱：原子力聲學(xué)顯微鏡懸臂梁接觸諧振頻率追蹤系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
原子力聲學(xué)顯微鏡懸臂梁接觸諧振頻率追蹤系統(tǒng)主要用于快速獲取原子力顯微 鏡懸臂梁的接觸諧振頻率，進而實現(xiàn)原子力聲學(xué)顯微鏡的快速彈性模量成像，屬于無損檢 測領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
原子力聲學(xué)顯微鏡(AFAM)技術(shù)，通過使原子力顯微鏡的懸臂梁或被測試件做超 聲振動，激勵懸臂梁的高階振動模態(tài)。精確測定高階諧振頻率的漂移，可很好地反映試件表 面局部機械性質(zhì)，如接觸剛度、彈性常數(shù)、近表面缺陷等。這種技術(shù)具有很高的橫向分辨率 (可小于lOnm)，既適用于電子封裝焊點的表面及近表面缺陷檢測，又可測量薄膜材料的彈 性性質(zhì)，是近年來無損檢測界的新的研究熱點。AFAM 一般是在原子力顯微鏡平臺上搭建起來的。根據(jù)激勵源的不同可分為兩類， 樣品-AFAM(S-AFAM，樣品激勵)和探針_AFAM(T_AFAM，探針激勵)。S-AFAM的工作方式是 指AFM工作在接觸模式，樣品背面用耦合劑粘接壓電換能器，放置在原子力顯微鏡支架上， 將激勵源接入壓電換能器。T-AFAM的工作方式是指信號發(fā)生器驅(qū)動壓電換能器產(chǎn)生一個連 續(xù)的振動信號，該信號穿透樣品被AFM懸臂接受，當AFM懸臂的探針接觸到樣品時，這種微 弱振動通過探針_樣品耦合傳播從而激勵懸臂振動。檢測懸臂的振動信號，這個信號輸入 鎖相放大器，激勵源的激勵信號也輸入鎖相放大器作為參考信號，信號經(jīng)鎖相放大器處理 后進入計算機，應(yīng)用分析軟件進行分析獲得試件表面形貌圖和相位圖。盡管目前AFAM法可很好地反映試件表面局部機械性質(zhì)，如接觸剛度、彈性常數(shù)、 近表面缺陷等。但由于傳統(tǒng)的原子力聲學(xué)顯微鏡系統(tǒng)采用鎖相或網(wǎng)絡(luò)分析定位技術(shù)，實際 成像速度太慢。為了快速獲取接觸諧振頻率，以便實現(xiàn)快速彈性模量成像，需開發(fā)一套基于 DSP的諧振頻率追蹤系統(tǒng)，用于在成像過程中實時追蹤諧振頻率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，為解決傳統(tǒng)原子力聲學(xué)顯微鏡技術(shù)中采用鎖相放大器或網(wǎng)絡(luò) 分析儀獲取原子力聲學(xué)顯微鏡懸臂梁接觸諧振頻率速度較慢，進而導(dǎo)致原子力顯微鏡成像 慢的問題，提供一種快速獲取原子力聲學(xué)顯微鏡懸臂梁接觸諧振頻率的頻率追蹤系統(tǒng)。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下方案采用DSP信號處理器件，實現(xiàn)一種快 速自動對原子力聲學(xué)顯微鏡懸臂梁接觸諧振頻率追蹤的系統(tǒng)，主要包括DSP控制板、與原 子力聲學(xué)顯微鏡懸臂梁的光電二極管探測器連接的有效值直流轉(zhuǎn)換電路(RMS-DC)、與原子 力聲學(xué)顯微鏡的壓電傳感器連接的壓控振蕩器(VCO)，其特征在于RMS-DC將光電二極管 探測器輸出的交流信號轉(zhuǎn)換為直流信號，輸入到DSP控制板中進行信號處理；DSP控制板處 理RMS-DC輸入的信號，繪制出輸入信號的頻率譜，得到懸臂梁的中心頻率；VCO作為與樣品 耦合的壓電傳感器的信號激勵源，根據(jù)DSP控制板輸入的控制信號，產(chǎn)生3kHz 3MHz的 正弦波掃頻到壓電傳感器；而且，DSP控制板根據(jù)得到的中心頻率，輸出一個反饋信號也至VC0，該信號調(diào)整VC0來調(diào)節(jié)振動的中心頻率以維持懸臂梁響應(yīng)曲線位于諧振中心。所述DSP控制板包含DSP芯片、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器和D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器、多通道數(shù)據(jù)緩 沖器、復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)、同步動態(tài)隨機存儲器(SDRAM)、閃存(FLASH)、外部時鐘 和串行接口，DSP控制板接收RMS-DC輸入的信號，首先經(jīng)過A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器進入DSP芯片內(nèi) 進行信號處理，DSP芯片的工作頻率由外部時鐘提供，CPLD控制系統(tǒng)的工作時序，由FLASH 和SDRAM進行片外數(shù)據(jù)存儲，DSP芯片通過串行接口與電腦主機通信，信號處理后的數(shù)據(jù)經(jīng) 過D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)變成模擬信號，輸入到VC0中。并設(shè)置一路占空比調(diào)節(jié)電路接至VC0， 從而調(diào)節(jié)VC0輸出信號的占空比。所述電腦主機設(shè)有人機交換界面，可根據(jù)DSP控制板傳來的信息顯示諧振曲線， 并且可設(shè)定調(diào)節(jié)參數(shù)給DSP控制板。另外，從DSP控制板輸出的調(diào)整VC0中心頻率的反饋信息，也被送至原子力顯微鏡 的輔助成像輸入端口，繪制成一個與諧振頻率成比例的圖像。本發(fā)明基于原子力顯微鏡懸臂諧振曲線峰值對應(yīng)的電壓信號，采用先進的DSP信 號處理器件控制壓控振蕩器輸出諧振中心頻率的正弦電壓信號激勵壓電傳感器，得到諧振 曲線，進而得到諧振曲線的中心頻率，實現(xiàn)了一種快速自動頻率跟蹤系統(tǒng)。


圖1原子力聲學(xué)顯微鏡懸臂梁接觸諧振頻率追蹤系統(tǒng)一優(yōu)選實施例的結(jié)構(gòu)框圖；圖2圖1所示實施例中DSP控制板結(jié)構(gòu)示意圖；圖3本發(fā)明中DSP控制板對原子力聲學(xué)顯微鏡懸臂梁振動頻率信號處理的流程4壓控振蕩器的工作示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖通過具體實施例對本發(fā)明作進一步的說明，以下實施例只是描述性 的，不是限定性的，不能以此來限定本發(fā)明的保護范圍。本實施例的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所 示，具體工作過程如下1)DSP控制板中發(fā)出掃頻信號，控制VC0產(chǎn)生一振幅可調(diào)掃頻正弦波傳遞到壓電 傳感器，壓電傳感器上放置樣品。2)該信號穿透樣品被原子力顯微鏡中的懸臂梁接受。當懸臂梁上的探針接觸到樣 品時，這種微弱振動通過探針_樣品耦合傳播從而激勵懸臂振動。光電二極管探測器探測 到懸臂梁的振動幅度，將這一信號送至有效值直流轉(zhuǎn)換電路板。3)在有效值直流轉(zhuǎn)換電路板內(nèi)，交流振動信號轉(zhuǎn)換成有效值直流電壓信號，然后 傳送至DSP控制板中，DSP控制板讀取這一信號，存儲起來。每次掃描完成后，構(gòu)建一個完 整的諧振曲線，找到諧振曲線中的峰值。并將這一信息以電壓信號的形式通過一反饋控制 環(huán)路送至VC0，調(diào)整VC0來調(diào)節(jié)振動的中心頻率以維持懸臂響應(yīng)曲線位于諧振中心。4)用于調(diào)節(jié)VC0的中心頻率的反饋電壓信號，也被送至原子力顯微鏡的輔助成像 輸入端口，繪制成一個與諧振頻率成比例的圖像。本發(fā)明的核心硬件為DSP控制板，包含DSP芯片、A/D、D/A、多通道數(shù)據(jù)緩沖器、 CPLD、SDRAM、FLASH、外部時鐘和串行接口等器件，DSP控制板結(jié)構(gòu)如圖2所示。首先RMS-DC輸入的信號經(jīng)過A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換進入DSP芯片內(nèi)進行信號處理，DSP芯片的工作頻率由外部 時鐘提供，CPLD控制系統(tǒng)的工作時序。由FLASH和SDRAM進行片外數(shù)據(jù)存儲。DSP芯片通 過串行接口與電腦主機通信，信號處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)過D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)變成模擬信號，輸入 至lj VC0中。本發(fā)明的核心技術(shù)主要是，DSP控制板讀取經(jīng)過有效值直流轉(zhuǎn)換電路后的原子力 顯微鏡懸臂諧振曲線信號，找到其峰值，并反饋與之對應(yīng)的電壓信號，控制V0D輸出諧振中 心頻率的正弦電壓信號激勵壓電傳感器，實現(xiàn)了一種快速自動頻率跟蹤方案。DSP控制板的 信號處理流程圖，如圖3所示。本發(fā)明中作為壓電傳感器的信號激勵源是一個壓控振蕩器(VC0)，給VC0輸入一 個電壓信號，VC0輸出一定頻率的正弦波，增大輸入電壓信號的幅值，相應(yīng)的VC0輸出的正 弦波的頻率也增大。。VC0工作時需要的外圍條件如圖4所示。首先DSP控制板輸出一掃頻 信號(即電壓幅值變化的信號)至VC0，VC0產(chǎn)生掃頻正弦信號，激勵壓電傳感器。然后DSP 控制板通過A/D采樣、信號處理后，反饋懸臂梁諧振中心頻率對應(yīng)的電壓信號至VC0，VC0產(chǎn) 生諧振頻率下的正弦信號激勵壓電傳感器。另有一路占空比調(diào)節(jié)電路，可調(diào)節(jié)VC0輸出信 號的占空比。
權(quán)利要求
原子力聲學(xué)顯微鏡懸臂梁接觸諧振頻率追蹤系統(tǒng)，主要包括DSP控制板、與原子力聲學(xué)顯微鏡懸臂梁的光電二極管探測器連接的有效值直流轉(zhuǎn)換電路(RMS-DC)、與原子力聲學(xué)顯微鏡的壓電傳感器連接的壓控振蕩器(VCO)，其特征在于RMS-DC將光電二極管探測器輸出的交流信號轉(zhuǎn)換為直流信號，輸入到DSP控制板中進行信號處理；DSP控制板處理RMS-DC輸入的信號，繪制出輸入信號的頻率譜，得到懸臂梁的中心頻率；VCO作為與樣品耦合的壓電傳感器的信號激勵源，根據(jù)DSP控制板輸入的控制信號，產(chǎn)生3kHz～3MHz的正弦波掃頻到壓電傳感器；而且，DSP控制板根據(jù)得到的中心頻率，輸出一個反饋信號也至VCO，該信號調(diào)整VCO來調(diào)節(jié)振動的中心頻率以維持懸臂梁響應(yīng)曲線位于諧振中心。
2.如權(quán)利要求1所述的原子力聲學(xué)顯微鏡懸臂梁接觸諧振頻率追蹤系統(tǒng)，其特征在 于所述DSP控制板包含DSP芯片、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器和D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器、多通道數(shù)據(jù)緩沖器、 復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)、同步動態(tài)隨機存儲器(SDRAM)、閃存(FLASH)、外部時鐘和串 行接口，DSP控制板接收RMS-DC輸入的信號，首先經(jīng)過A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器進入DSP芯片內(nèi)進 行信號處理，DSP芯片的工作頻率由外部時鐘提供，CPLD控制系統(tǒng)的工作時序，由FLASH和 SDRAM進行片外數(shù)據(jù)存儲，DSP芯片通過串行接口與電腦主機通信，信號處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)過 D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)變成模擬信號，輸入到VCO中。
3.如權(quán)利要求2所述的原子力聲學(xué)顯微鏡懸臂梁接觸諧振頻率追蹤系統(tǒng)，其特征在 于所述電腦主機設(shè)有人機交換界面，可根據(jù)DSP控制板傳來的信息顯示諧振曲線，并且可 設(shè)定調(diào)節(jié)參數(shù)給DSP控制板。
4.如權(quán)利要求1所述的原子力聲學(xué)顯微鏡懸臂梁接觸諧振頻率追蹤系統(tǒng)，其特征在 于設(shè)置有一路占空比調(diào)節(jié)電路接至VC0，從而調(diào)節(jié)VCO輸出信號的占空比。
5.如權(quán)利要求1-4中任一項所述的原子力聲學(xué)顯微鏡懸臂梁接觸諧振頻率追蹤系統(tǒng)， 其特征在于從DSP控制板輸出的調(diào)整VCO中心頻率的反饋信息，也被送至原子力顯微鏡的 輔助成像輸入端口，繪制成一個與諧振頻率成比例的圖像。
全文摘要
原子力聲學(xué)顯微鏡懸臂梁接觸諧振頻率追蹤系統(tǒng)主要用于快速獲取原子力顯微鏡懸臂梁的接觸諧振頻率，進而實現(xiàn)原子力聲學(xué)顯微鏡的快速彈性模量成像，屬于無損檢測領(lǐng)域。本發(fā)明基于原子力顯微鏡懸臂諧振曲線峰值對應(yīng)的電壓信號，控制壓控振蕩器輸出諧振中心頻率的正弦電壓信號激勵壓電傳感器的原理。主要包括與原子力聲學(xué)顯微鏡懸臂梁的光電二極管探測器連接的有效值直流轉(zhuǎn)換電路(RMS-DC)、與原子力聲學(xué)顯微鏡的壓電傳感器連接的壓控振蕩器(VCO)，以及處理頻率信號的DSP控制板。DSP控制板控制VCO輸出諧振中心頻率的正弦電壓信號激勵壓電傳感器，得到諧振曲線，進而得到諧振曲線的中心頻率，實現(xiàn)了一種快速自動頻率跟蹤系統(tǒng)。
文檔編號G01H11/08GK101839924SQ20101019483
公開日2010年9月22日 申請日期2010年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月28日
發(fā)明者何存富, 吳斌, 宋國榮, 張改梅, 楊發(fā)奎 申請人:北京工業(yè)大學(xué)