專利名稱:基于原子力顯微鏡的聲成像用弱信號檢測器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種基于原子力顯微鏡的聲成像用弱信號檢測器，用于原子力顯微鏡 的聲成像系統(tǒng)，屬于信號檢測儀器領域。
背景技術：
隨著當前納米科技的迅猛發(fā)展，在許多高新技術領域：
具有重要應用價值的材料及 其器件正朝著納米尺度方向日趨高度微型化和集成化。在納米尺度上材料及器件的性質(zhì)和 行為不僅與其表面的結構有關，而且更與它們的亞表面結構和性能息息相關。為此，在商用 原子力顯微鏡基礎上發(fā)展聲成像技術，以解決在試樣原位進行表面與亞表面成像的難題， 從而推動納米材料與器件的發(fā)展，這是當前開展納米科技領域的一個熱點。弱信號檢測是 其中關鍵的技術問題之一。
在應用原子力顯微鏡進行聲成像的工作過程中，聲信號的幅度是極其微弱的，經(jīng) 換能器轉換成電信號之后，其幅度僅達微伏數(shù)量級。而環(huán)境噪聲的幅度要遠高于有用信號， 信號完全被噪聲所淹沒。如采用常規(guī)的放大器，顯然是無法工作的，因為，它將信號與噪聲 同時放大。因此無法實現(xiàn)在原子力顯微鏡上進行聲成像。如何在干擾背景上檢測出有用信 號是在原子力顯微鏡上實現(xiàn)聲學成像模式的關鍵，為解決上述問題，我們提出了一種基于 原子力顯微鏡的聲成像用弱信號檢測器，目前國內(nèi)外尚無這方面的報導。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有高靈敏度、低噪聲、抗干擾能力強、工作頻率寬、 動態(tài)響應快、結構緊湊、成本低廉的弱信號檢測器。本發(fā)明不僅是構成原子力顯微鏡聲成像 系統(tǒng)的核心部件，用于顯微成像工作，而且也適用于其他領域的弱信號檢測。
本發(fā)明提供的檢測器的原理結構如圖1所示，由四部分組成
1為信號通道部分；2為同步檢測部分；3為輸出通道部分；4為參考信號通道部 分。
被測信號先輸入至信號通道部分進行放大、濾波處理，其后輸出至同步檢測部分。 同步檢測部分接受由參考信號通道部分產(chǎn)生的與輸入信號同步的方波信號控制進行同步 檢測處理，將不同相的噪聲濾除，再輸出至輸出通道部分進行平滑、校正處理，其輸出信號 作為聲成像信號供系統(tǒng)使用。
1、信號通道部分，信號通道部分包括前置放大電路11，模式設置電路12，二級放 大電路13，反饋網(wǎng)絡電路14 ；有源帶通濾波電路15五單元電路，其工作原理框圖如圖2所 示。該部分電路的功能包括電路的輸入阻抗與信號源的阻抗相匹配；放大輸入信號；濾除噪聲。
前置放大電路與被測信號直接相連，輸出的信號傳給二級放大電路，并進一步傳 入有源帶通濾波電路。為盡可能降低電路自身噪聲，能在一定程度滿足不同類型的測試信 號，因此選用具有高輸入阻抗、低噪聲、高速響應、高共模抑制比的電子元件組成單元電路。[0010]模式設置電路與前置放大器電路連接，控制信號輸入模式。通常改變信號輸入模 式的方法是在儀器面板上設置多個選擇開關的方法，而本發(fā)明中前置放大器可采用在印板 上安裝跳線的方式，改變信號的輸入模式，而摒棄在儀器面板上設置多個選擇開關的方法， 來減小噪聲的引入。本發(fā)明的前置放大電路的輸入阻抗可大于106Q。同時加入強信號衰 減電路，避免強干擾信號造成電路飽和，影響整機的工作。
二級放大與反饋網(wǎng)絡單元電路在信號通道部分中起主放大作用。性能要求增益高 達103，電路工作穩(wěn)定，線性好。選用高增益、性能穩(wěn)定的線性放大集成電路器件，僅設置一 個電阻，選取不同的阻值，便可在1-103內(nèi)設置需要的增益，簡化了電路結構，消除由于較多 的偏置器件而產(chǎn)生的線性與增益穩(wěn)定的問題。
為防止由于高增益引起的電路自激振蕩及不穩(wěn)定，設置了反饋網(wǎng)絡。該網(wǎng)絡兼有 濾除噪聲的作用。
有源帶通濾波單元電路能有效抑制工作帶寬外的雜散信號，增強有用信號幅度， 提高信噪比。在常規(guī)的弱信號測試儀器中，大都采用高通、低通及二者組合的濾波電路，濾 除信號中含有的噪聲，但由于工作帶寬較寬，等效Q值低，抑制噪聲的作用有限，抗干擾能 力差，影響了整機的性能。而采用可調(diào)諧的有源帶通濾波電路，雖抑制噪聲的作用有所加 強，但因其結構復雜，可調(diào)諧的頻率范圍窄，等效Q值低等因素而不應用。本設計采用專用 的精密濾波集成電路器件，加設輔助電路，以電壓控制方式調(diào)節(jié)中心頻率，并可實現(xiàn)數(shù)字化 外控。該單元電路等效Q值大于20，工作穩(wěn)定，濾除噪聲的效果好。
2、同步檢測部分，同步檢測部分包括相敏檢波器21、信號合成電路22、低通濾波 電路組成23，相敏檢波器、信號合成電路、低通濾波電路依次相連，其工作原理框圖如圖3 所示。
相敏檢波器由一對互為反相的模擬開關構成，開關的通斷受參考信號(方波)的 控制。當輸入信號的相位與參考信號的相位一致時，相敏檢波器的輸出是直流量，反之則輸 出交流量，經(jīng)信號合成與低通濾波電路之后，其交流量被濾除，而有用信號被提取出來。因 而該部分電路的功能相當于等效Q值極高、性能優(yōu)異的濾波器，它濾除了與參考信號相位 不一致的噪聲，同時又是平均器，將隨機干擾消除掉，而真實的信號得以恢復與加強。相敏 檢測器是該部分的核心單元電路，其性能直接影響抑制噪聲的能力與工作的頻率范圍，選 用動態(tài)響應特性好，道通電阻小，漏電流小，集成度高的優(yōu)質(zhì)元件，工作頻率大于lOOKHz。
3、輸出通道部分，輸出通道部分包括輸出放大器31與顯示單元32組成，其工作原 理框圖如圖4所示。由于輸出放大器接受的同步檢測輸出信號是直流量，克服漂移成為一 個突出問題。在本單元電路中選用輸出低漂移的運算放大集成電路器件，取代結構復雜、集 成度低的差分電路，并設置了偏置電壓的控制及增益的控制，實現(xiàn)整機的定標。增益的控制 范圍l-io3。輸出放大器的輸出連接到原子力顯微鏡聲成像的圖像通道，同時送入顯示單元 作輸出監(jiān)視。
在本部分電路中可應用光柱顯示儀取代傳統(tǒng)的指針儀表，測量顯示更為直觀清 晰，適宜在光線弱的工作場合使用。光柱顯示的靈敏度由控制電路實現(xiàn)獨立調(diào)整，量程可擴 展5倍，解決了因輸出顯示與輸出成像同步控制而形成的矛盾。
4、參考信號通道部分，參考信號通道部分4包括信號發(fā)生器41、鎖相環(huán)路142、電 平控制電路43、倍頻分相電路44、鎖相環(huán)路1145等五單元電路組成，其工作原理框圖如圖
45所示。
本部分電路的功能是產(chǎn)生既可作基波檢測，又可做諧波檢測，相位可精細調(diào)整的 方波參考信號。信號發(fā)生器、鎖相環(huán)路I、倍頻分相電路、鎖相環(huán)路II依次連接，電平控 制電路與鎖相環(huán)路I連接構成的精密移相器具有移相精度高，移相范圍寬的特點，與由 線性模擬電路或常規(guī)數(shù)字電路器件構成的移相器相比較，移相精度提高一倍，移相范圍 0° -150°。由鎖相環(huán)路II與倍頻分相構成的參考信號輸出電路，產(chǎn)生8個輸出lF/0°、 IF/90。、IF/180。、IF/270。；2F/0°、2F/90°、2F/180°、2F/270°，供使用選擇。信號發(fā) 生器的工作頻率范圍1K-1MHz，輸出正弦波信號，幅度+10V-10V(作為系統(tǒng)聲激勵器件的 驅動信號)；輸出同步信號(作為參考源信號)。
本發(fā)明應用新穎的電路設計與采用新發(fā)展、高品質(zhì)的電子元件，強化了信號的處 理能力，提高了檢測信噪比；減縮了寬泛不常用的功能，簡化了線路結構，降低了制作成本； 解決了應用原子力顯微鏡進行聲成像中弱信號檢測這一關鍵技術問題，成為組建掃描探針 聲學顯微鏡的核心部件。同時也可用于其它弱信號檢測場合。


圖1為檢測器工作原理框圖，圖中1為信號通道部分，2為同步檢測部分，3為輸出 通道部分，4為參考信號通道部分；
圖2為信號通道部分的工作原理框圖，圖中11為前置放大電路，12為模式設置電 路，13為二級放大電路，14為反饋網(wǎng)絡電路；15為有源帶通濾波電路；
圖3為同步檢測部分的電路工作原理框圖，圖中21為相敏檢波器，22為信號合成 電路，23為低通濾波電路；
圖4為輸出通道部分的電路工作原理框圖，圖中31為輸出放大器，32為顯示單 元；
圖5為參考信號通道部分的電路工作原理框圖，41為信號發(fā)生器，42為鎖相環(huán)路 I，43為電平控制電路，44為倍頻分相電路，45為鎖相環(huán)路II ；
圖6為PMN-PT人工晶體材料測試結果及比較；
圖7為半導體ZnO陶瓷材料測試結果及比較；
圖8為PZT厚膜材料測試結果及比較；
具體實施方式
以下的實施例均是在原子力顯微鏡上應用本發(fā)明的儀器組建的聲成像系統(tǒng)對各 種材料所做的反映樣品表面形貌的AFM像與反映樣品亞表面的SPAM像，以進一步說明本發(fā) 明的效果，但并非僅限于下述實施例。
實施例1
應用原子力顯微鏡聲成像系統(tǒng)對PMN-PT人工晶體材料進行測試，圖6顯示了測試 的結果。其中(a)圖是樣品的形貌AFM像，是原子力顯微鏡原本具有的功能。(b)圖是組建 的聲成像系統(tǒng)在樣品原位進行的反映內(nèi)部結構的SPAM像。顯然，(a)圖與(b)圖的差異很 大，(b)圖清晰地呈現(xiàn)樣品的內(nèi)部特有的疇結構。這種指紋狀疇的取向、大小，都承載著樣 品所具有的性能的內(nèi)在的信息。[0032]實施例2
應用原子力顯微鏡聲成像系統(tǒng)對半導體ZnO陶瓷材料進行測試。圖7顯示了測試 的結果。與上述實例1相似，圖(a)是被測樣品的形貌像，圖(b)是反映樣品亞表面樣品的 聲成像。圖(b)所顯示的清晰的樣品內(nèi)部結構，對于材料性能的研究極為有用。
實施例3
應用原子力顯微鏡聲成像系統(tǒng)對PZT厚膜材料進行測試，圖8為測試的結果。與 上述實例1相似，(a)圖是樣品的形貌像，(b)圖是反映樣品內(nèi)部結構的聲成像。(b)圖顯 示的樣品的晶界比(a)圖清晰。而這正是材料研究所關注的。
上述的實例表明了在原子力顯微鏡上應用本發(fā)明的儀器組建的聲成像系統(tǒng)，擴展 對樣品內(nèi)部結構進行顯微成像了的功能。成為當前開展納米科技的一個重要工具，推動材 料研究各種深入進行。
權利要求
一種基于原子力顯微鏡的聲成像用弱信號檢測器，包括信號通道部分(1)、同步檢測部分(2)、輸出通道部分(3)、參考信號通道部分(4)，其特征在于被測信號先輸入至信號通道部分進行放大、濾波處理，其后輸出至同步檢測部分，同步檢測部分接受由參考信號通道部分產(chǎn)生的與輸入信號同步的方波信號控制進行同步檢測處理，將不同相的噪聲濾除，再輸出至輸出通道部分進行平滑、校正處理，其輸出信號作為聲成像信號供系統(tǒng)使用；所述的信號通道部分(1)包括前置放大電路(11)、模式設置電路(12)、二級放大電路(13)、反饋網(wǎng)絡電路(14)、有源帶通濾波電路(15)，前置放大電路與被測信號直接相連，輸出的信號傳給二級放大電路，并進一步傳入有源帶通濾波電路；模式設置電路與前置放大器電路連接，控制信號輸入模式；二級放大與反饋網(wǎng)絡電路連接，起主放大作用；所述參考信號通道部分(4)包括信號發(fā)生器(41)、鎖相環(huán)路I(42)、電平控制電路(43)、倍頻分相電路(44)、鎖相環(huán)路II(45)組成，信號發(fā)生器、鎖相環(huán)路I、倍頻分相電路、鎖相環(huán)路II依次連接，電平控制電路與鎖相環(huán)路I連接構成的精密移相器。
2.按權利要求
1所述的一種基于原子力顯微鏡的聲成像用弱信號檢測器，其特征在于 所述的模式設置電路采用在印板上安裝跳線的方式，改變信號的輸入模式。
3.按權利要求
2所述的一種基于原子力顯微鏡的聲成像用弱信號檢測器，其特征在于 所述的前置放大電路的輸入阻抗大于106Q。
4.按權利要求
1所述的一種基于原子力顯微鏡的聲成像用弱信號檢測器，其特征在于 所述的同步檢測部分(2)包括相敏檢波器(21)、信號合成電路(22)、低通濾波電路(23)，相 敏檢波器、信號合成電路、低通濾波電路依次相連；其中，相敏檢波器由一對互為反相的模 擬開關構成。
5.按權利要求
4所述的一種基于原子力顯微鏡的聲成像用弱信號檢測器，其特征在于 所述的相敏檢測器工作頻率大于lOOKHz。
6.按權利要求
1所述的一種基于原子力顯微鏡的聲成像用弱信號檢測器，其特征在于 所述的輸出通道部分(3)包括輸出放大器(31)與顯示單元(32)，信號經(jīng)輸出放大器處理輸 出，同時送入顯示單元作輸出監(jiān)視。
7.按權利要求
6所述的一種基于原子力顯微鏡的聲成像用弱信號檢測器，其特征在于 所述的顯示單元為光柱顯示儀。
8.按權利要求
1所述的一種基于原子力顯微鏡的聲成像用弱信號檢測器，其特征在于 信號發(fā)生器的工作頻率范圍為lK-lMHz，輸出正弦波信號，幅度+10V——10V。
專利摘要
本發(fā)明涉及一種基于原子力顯微鏡的聲成像用弱信號檢測器，用于原子力顯微鏡的聲成像系統(tǒng)，屬于信號檢測儀器領域。本發(fā)明包括信號通道部分(1)、同步檢測部分(2)、輸出通道部分(3)、參考信號通道部分(4)，其特征在于被測信號先輸入至信號通道部分進行放大、濾波處理，其后輸出至同步檢測部分，同步檢測部分接受由參考信號通道部分產(chǎn)生的與輸入信號同步的方波信號控制進行同步檢測處理，將不同相的噪聲濾除，再輸出至輸出通道部分進行平滑、校正處理，其輸出信號作為聲成像信號供系統(tǒng)使用。本發(fā)明強化了信號的處理能力，提高了檢測信噪比，減縮了寬泛不常用的功能，簡化了線路結構，降低了制作成本解決了應用原子力顯微鏡進行聲成像中弱信號檢測這一關鍵技術問題，同時也可用于其它弱信號檢測場合。
文檔編號G01Q60/24GKCN101029862 B發(fā)布類型授權 專利申請?zhí)朇N 200710038199
公開日2010年10月20日 申請日期2007年3月19日
發(fā)明者惠森興, 殷慶瑞 申請人:中國科學院上海硅酸鹽研究所導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (6), 非專利引用 (5),