[發(fā)明專利]原子力聲學(xué)顯微鏡懸臂梁接觸諧振頻率追蹤系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201010194831.9
• 申請日: 2010-05-28
• 公開（公告）號: CN101839924A
• 公開（公告）日: 2010-09-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 何存富;楊發(fā)奎;張改梅;吳斌;宋國榮
• 申請（專利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G01Q60/24
• 分類號: G01Q60/24;G01H11/08
• 代理公司: 北京思海天達(dá)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 吳蔭芳

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(jìn)而實(shí)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(lì)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(jī)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10nm)，既適用于電子封裝焊點(diǎn)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(diǎn)。

AFAM一般是在原子力顯微鏡平臺上搭建起來的。根據(jù)激勵(lì)源的不同可分為兩類，樣品-AFAM(S-AFAM，樣品激勵(lì))和探針-AFAM(T-AFAM，探針激勵(lì))。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(lì)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(gè)連續(xù)的振動信號，該信號穿透樣品被AFM懸臂接受，當(dāng)AFM懸臂的探針接觸到樣品時(shí)，這種微弱振動通過探針-樣品耦合傳播從而激勵(lì)懸臂振動。檢測懸臂的振動信號，這個(gè)信號輸入鎖相放大器，激勵(lì)源的激勵(lì)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(jìn)入計(jì)算機(jī)，應(yīng)用分析軟件進(jìn)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(jī)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(shí)際成像速度太慢。為了快速獲取接觸諧振頻率，以便實(shí)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(shí)時(shí)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(jìn)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(shí)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(shí)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(jìn)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(lì)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(gè)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。

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(jī)存儲器(SDRAM)、閃存(FLASH)、外部時(shí)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(jìn)入DSP芯片內(nèi)進(jìn)行信號處理，DSP芯片的工作頻率由外部時(shí)鐘提供，CPLD控制系統(tǒng)的工作時(shí)序，由FLASH和SDRAM進(jìn)行片外數(shù)據(jù)存儲，DSP芯片通過串行接口與電腦主機(jī)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。并設(shè)置一路占空比調(diào)節(jié)電路接至VCO，從而調(diào)節(jié)VCO輸出信號的占空比。

所述電腦主機(jī)設(shè)有人機(jī)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(gè)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(jìn)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(lì)壓電傳感器，得到諧振曲線，進(jìn)而得到諧振曲線的中心頻率，實(shí)現(xiàn)了一種快速自動頻率跟蹤系統(tǒng)。

附圖說明

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(shí)施例的結(jié)構(gòu)框圖；

圖2圖1所示實(shí)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圖

圖4壓控振蕩器的工作示意圖。