[實用新型]微懸臂梁高階諧振態控制機構及其原子力顯微鏡

有效

• 申請號: 201822142277.4
• 申請日: 2018-12-19
• 公開（公告）號: CN209387685U
• 公開（公告）日: 2019-09-13
• 發明（設計）人: 王艷艷;賀思漢;邊琰
• 申請（專利權）人: 天津職業技術師范大學
• 主分類號: G01Q60/24
• 分類號: G01Q60/24
• 代理公司: 天津創智天誠知識產權代理事務所(普通合伙) 12214
• 代理人: 李薇

本實用新型公開了微懸臂梁高階諧振態控制機構及其原子力顯微鏡，所述高階諧振態控制機構包括微懸臂梁高階諧振模態激勵與檢測單元和控制模塊，其中：所述微懸臂梁高階諧振模態激勵與檢測單元包括用于獲取微懸臂梁當前諧振階數的掃頻測試模塊、用于激勵所述微懸臂梁震動的高階諧振激勵模塊和用于記錄并存儲所述微懸臂梁振幅和相位值的高階諧振響應模塊；所述掃頻測試模塊和高階諧振激勵模塊分別與所述控制模塊通訊連接，所述高階諧振響應模塊通過AFM控制器與所述控制模塊通訊連接。本實用新型可大大提高AFM的掃描速度，可根據需求設定微懸臂梁諧振階數。

技術領域

本實用新型涉及原子力顯微鏡技術領域，特別是涉及一種微懸臂梁高階諧振態控制機構及其原子力顯微鏡。

背景技術

由于具備較高的測試精確度且對樣品表面無特殊要求，原子力顯微術(AFM)應用廣泛。依據微懸臂梁的工作方式不同，傳統AFM工作模式包括靜態模式和動態模式。靜態模式即傳統的接觸模式和非接觸模式，帶有探針的微懸臂梁接觸樣品，并在樣品表面掃描。動態模式即傳統的輕敲模式，采用不同頻率的正弦信號激勵微懸臂梁，使其在諧振頻率處振動，針尖逐漸靠近樣品表面的過程中，樣品表面形貌的變化使得針尖與表面原子之間的非線性作用力不斷變化，從而引起微懸臂梁的振幅/頻率的變化，通過反饋控制回路控制幅值或頻移處于某固定值，檢測反饋控制回路的輸出可得樣品表面的形貌或力學特性。相比靜態模式，動態模式下的測試具有橫向力小、不易破壞樣品表面特性及可獲得樣品表面成分對比的優點，應用更廣。

常見的動態模式一般通過激發和檢測微懸臂梁的一階諧振態進行測試，其靈敏度、分辨力和成像速度均受到微懸臂梁幾何參數的制約而無法得到進一步提高。該問題的直接解決方法是通過加工小至幾微米的微懸臂梁提高系統的動態特性，而小的微懸臂梁對加工工藝提出更高要求，增加了實驗成本，同時，要求微懸臂梁彎曲檢測系統更加復雜和精密。而近年來，隨著微/納機電系統(MEMS/NEMS)、微半導體工業及生命科學、新型材料等領域的迅速發展，對微納米測試的分辨力和靈敏度提出了更高的要求。因此，一種基于微懸臂梁高階諧振態的原子力顯微測試機構是十分必要的。

實用新型內容

本實用新型的目的是針對現有技術中存在的AFM動態檢測模式靈敏度和分辨率低的問題，而提供一種原子力顯微鏡用微懸臂梁高階諧振態控制機構，該機構可集成在傳統AFM系統中，提高原子力顯微術的空間分辨力、靈敏度和測試效率，操作方便，成本低廉。

本實用新型的另一方面，是提供一種集成所述微懸臂梁高階諧振態控制機構的原子力顯微鏡，可在該原子力顯微鏡上調整諧振階數。

為實現本實用新型的目的所采用的技術方案是：

原子力顯微鏡用微懸臂梁高階諧振態控制機構，包括微懸臂梁高階諧振模態激勵與檢測單元和控制模塊，其中：所述微懸臂梁高階諧振模態激勵與檢測單元包括用于獲取微懸臂梁當前諧振階數的掃頻測試模塊、用于激勵所述微懸臂梁震動的高階諧振激勵模塊和用于記錄并存儲所述微懸臂梁振幅和相位值的高階諧振響應模塊；所述掃頻測試模塊和高階諧振激勵模塊分別與所述控制模塊通訊連接，所述高階諧振響應模塊通過AFM控制器與所述控制模塊通訊連接。

在上述技術方案中，所述掃頻測試模塊為直接數字式頻率合成器AD9959。

在上述技術方案中，所述高階諧振激勵模塊是以FPGA芯片Spartan-6和數模轉換芯片 AD5433為核心的數字鎖相放大器。

在上述技術方案中，所述Spartan-6的D0-D9引腳和所述AD5433的DB0-DB9引腳相連，所述Spartan-6的FCS_B引腳和所述AD5433的CS引腳相連，所述Spartan-6的FWE_B引腳和所述AD5433的R/W引腳相連。

在上述技術方案中，所述高階諧振響應模塊采用數據采集卡。

在上述技術方案中，所述數據采集卡為高速數據采集卡PXI-6366。