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一種原子力聲學(xué)顯微鏡探針接觸諧振頻率追蹤方法
【專利摘要】一種原子力聲學(xué)顯微鏡探針接觸諧振頻率追蹤方法，所述的方法基于頻譜分析方法，利用快速傅立葉變換(FFT)，將單頻方波激勵(lì)代替正弦波掃頻，避免掃頻過程對(duì)原子力聲學(xué)顯微鏡成像速度的影響，實(shí)現(xiàn)原子力聲學(xué)顯微鏡探針接觸諧振頻率的快速追蹤。
【專利說明】一種原子力聲學(xué)顯微鏡探針接觸諧振頻率追蹤方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種原子力聲學(xué)顯微鏡探針接觸諧振頻率的追蹤方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 原子力聲學(xué)顯微鏡是在原子力顯微鏡基礎(chǔ)上發(fā)展而形成的近場(chǎng)聲成像技術(shù)，通常 是在原子力顯微鏡上增加一個(gè)聲激發(fā)和檢測(cè)系統(tǒng)而組成，它使我們可以用聲波在納米尺度 上觀察和研究材料表面和次表面顯微結(jié)構(gòu)的聲成像技術(shù)，在生物領(lǐng)域應(yīng)用前景相當(dāng)廣泛。
[0003] 原子力聲學(xué)顯微鏡主要從探測(cè)端入手，利用掃描探針針尖（曲率半徑20nm左右） 具有高成像分辨力的特點(diǎn)，將聲信號(hào)檢測(cè)空間精度提高到納米量級(jí)。根據(jù)聲信號(hào)激勵(lì)方式 的不同，原子力聲學(xué)顯微鏡一般可分為樣本激勵(lì)方式、探針激勵(lì)方式和探針與樣本差頻激 勵(lì)方式。與原子力顯微鏡類似，原子力聲學(xué)顯微鏡又可以根據(jù)探針與樣本的工作距離分為 接觸、半接觸和遠(yuǎn)離工作模式。為了克服聲波衍射極限對(duì)成像分辨力的影響，且在獲得表 面、次表面顯微結(jié)構(gòu)的同時(shí)獲得樣本表面的力學(xué)特征，一般采用超聲換能器激勵(lì)樣本振動(dòng)， 探針與樣本接觸掃描成像的方式。
[0004] 在用原子力聲學(xué)顯微鏡掃描成像時(shí)，隨著樣本表面和次表面結(jié)構(gòu)性質(zhì)的變化，探 針與樣本的接觸諧振頻率也會(huì)產(chǎn)生變化。為了保持探針高靈敏度地探測(cè)從樣本次表面?zhèn)鬟f 過來的聲信號(hào)，需要根據(jù)探針接觸諧振頻率的變化動(dòng)態(tài)調(diào)整樣本聲信號(hào)的激勵(lì)頻率。中國 專利201010194831. 9提出用正弦波掃頻的方式追蹤探針接觸諧振頻率的變化，然而掃頻 的方法需要控制器發(fā)出一系列連續(xù)的、不同頻率的正弦波，并且需要讀回每一個(gè)驅(qū)動(dòng)頻率 下探針的響應(yīng)狀態(tài)，這勢(shì)必將給原子力聲學(xué)顯微鏡的成像速度帶來不利影響。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明目的是克服現(xiàn)有的利用掃頻來追蹤原子力聲學(xué)顯微鏡探針接觸諧振頻率 速度慢的缺點(diǎn)，提出一種快速追蹤原子力聲學(xué)顯微鏡探針接觸諧振頻率的方法。
[0006] 本發(fā)明基于頻譜分析方法，利用快速傅立葉變換（FFT)，將單頻方波激勵(lì)代替正弦 波掃頻，實(shí)現(xiàn)原子力聲學(xué)顯微鏡探針接觸諧振頻率的快速追蹤。
[0007] 本發(fā)明方法的具體步驟為：
[0008] 1)跟蹤響應(yīng)原子力聲學(xué)顯微鏡的探針與樣本當(dāng)前接觸點(diǎn)的表面形貌信息；
[0009] 2)確定原子力聲學(xué)顯微鏡的探針接觸諧振頻率；
[0010] 3)設(shè)定樣本超聲換能器的激勵(lì)頻率為探針接觸諧振頻率；
[0011] 4)分離和提取圖像信號(hào)，將原子力聲學(xué)顯微鏡的探針移至下一個(gè)接觸點(diǎn)。
[0012] 所述原子力聲學(xué)顯微鏡與原子力顯微鏡的硬件系統(tǒng)構(gòu)成基本相同，主要包括探 針、激光器、光電傳感器、Z掃描器反饋控制器、XY掃描器、Z掃描器、步進(jìn)電機(jī)和主控制器。 原子力聲學(xué)顯微鏡在原子力顯微鏡的基礎(chǔ)上引入探針超聲換能器、樣本超聲換能器和鎖相 放大器，探針超聲換能器與探針機(jī)械連接并在交流信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下激勵(lì)探針振蕩；樣本超聲 換能器與樣本機(jī)械連接并在交流信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下激勵(lì)樣本振蕩；鎖相放大器以驅(qū)動(dòng)樣本振蕩 的信號(hào)作為參考信號(hào)，以光電傳感器的輸出信號(hào)作為輸入信號(hào)，從而檢測(cè)探針感應(yīng)的微弱 超聲信號(hào)。
[0013] 所述的步驟1)跟蹤響應(yīng)原子力聲學(xué)顯微鏡的探針與樣本當(dāng)前接觸點(diǎn)的表面形貌 信息的方法為：
[0014] 原子力聲學(xué)顯微鏡的探針與樣本當(dāng)前接觸點(diǎn)的表面形貌信息為低頻信號(hào)，該低頻 信號(hào)經(jīng)光電傳感器檢測(cè)到后，輸出至Z掃描器反饋控制器。Z掃描器反饋控制器將該信號(hào) 與參考值比較得出誤差信號(hào)并經(jīng)比例和積分運(yùn)算后輸出Z掃描器，作為Z掃描器的驅(qū)動(dòng)信 號(hào)，Z掃描器在該驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行相應(yīng)的Z方向伸縮運(yùn)動(dòng)，使探針與樣本當(dāng)前接觸點(diǎn)的 相互作用力保持在參考值。Z掃描器的伸縮量與樣本被接觸點(diǎn)的表面形貌信息一致，Z掃描 器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)即為樣本表面形貌信號(hào)。
[0015] 所述的步驟2)確定原子力聲學(xué)顯微鏡的探針接觸諧振頻率的方法為：
[0016] 通過探針超聲換能器給原子力聲學(xué)顯微鏡的探針施加單頻方波激勵(lì)信號(hào)，激勵(lì)探 針振蕩；光電傳感器檢測(cè)探針對(duì)該方波激勵(lì)的響應(yīng)，并將該響應(yīng)電壓信號(hào)輸入到主控制器。 主控制器進(jìn)行快速傅立葉變換，確定振幅最大值時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率信息，該頻率即為探針接觸 諧振頻率。
[0017] 所述的步驟4)分離和提取圖像信號(hào)的方法為：
[0018] 步驟1)所述Z掃描器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)即為樣本表面形貌信號(hào)，且該信號(hào)為低頻信號(hào)。 將步驟2)確定的探針接觸諧振頻率作為參考信號(hào)輸入鎖相放大器，同時(shí)將光電傳感器檢 測(cè)的探針偏轉(zhuǎn)信號(hào)作為鎖相放大器的輸入信號(hào)。在原子力聲學(xué)顯微鏡的探針掃描初始接觸 點(diǎn)時(shí)，調(diào)整鎖相放大器的相位，使鎖相放大器的輸出值最大，并在原子力聲學(xué)顯微鏡掃描剩 余的探針和樣本的接觸點(diǎn)時(shí)，保持鎖相放大器的相位值不變，鎖相放大器的輸出即為樣本 次表面聲成像信號(hào)。
[0019] 本發(fā)明原理是：通過給探針的超聲換能器施加單頻方波信號(hào)，驅(qū)動(dòng)探針振蕩，光電 傳感器檢測(cè)該振蕩，并將振蕩信號(hào)輸送到主控制器進(jìn)行快速傅立葉變換，其中振幅最大值 時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率信息即為探針接觸諧振頻率。
[0020] 本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0021] 利用現(xiàn)有電子學(xué)技術(shù)能迅速完成快速傅立葉變換，用單頻方波激勵(lì)代替正弦波掃 頻，避免掃頻過程對(duì)原子力聲學(xué)顯微鏡成像速度的影響，實(shí)現(xiàn)原子力聲學(xué)顯微鏡探針接觸 諧振頻率的快速追蹤。根據(jù)探針接觸諧振頻率的變化，動(dòng)態(tài)調(diào)整樣本超聲換能器的激勵(lì)信 號(hào)，使其頻率與探針接觸諧振頻率一致，從而保持探針對(duì)微弱聲信號(hào)探測(cè)的高靈敏度。在保 證原子力聲學(xué)顯微鏡高靈敏度探測(cè)的前提下，成像速度的提高，將進(jìn)一步推動(dòng)其對(duì)細(xì)胞體 內(nèi)動(dòng)態(tài)過程觀察的應(yīng)用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022] 圖1為原子力聲學(xué)顯微鏡探針接觸諧振頻率快速追蹤方法原理圖；
[0023] 圖2為本發(fā)明方法流程框圖；
[0024] 圖中：1激光器，2探針，3光電傳感器，4樣本，5樣本超聲換能器，6XY掃描器，7Z掃 描器反饋控制器，8Z掃描器，9探針超聲換能器，10主控制器，11鎖相放大器，12圖像顯示 器。

【具體實(shí)施方式】
[0025] 以下結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】進(jìn)一步說明本發(fā)明。
[0026] 如圖1所示為原子力聲學(xué)顯微鏡探針接觸諧振頻率快速追蹤方法原理圖。激光 器1從樣本4上方發(fā)射一束激光束經(jīng)探針2背面反射至樣本4上方的光電傳感器3,探針2 與樣本4的上表面接觸，樣本4的下方粘接樣本超聲換能器5。樣本4和樣本超聲換能器 5 -起堆疊在XY掃描器6上。光電傳感器3同時(shí)輸出電壓信號(hào)至反饋控制器7、主控制器 10和鎖相放大器11。反饋控制器7接收光電傳感器3的信號(hào)后輸出控制電壓，該控制電壓 一方面驅(qū)動(dòng)Z掃描器8帶動(dòng)探針2在Z方向上下運(yùn)動(dòng)，另一方面用于圖像顯示器12顯示成 高度像。主控制器10輸出單頻方波信號(hào)至探針超聲換能器9,并使粘接于探針超聲換能器 9上的探針2振蕩。同時(shí)，主控制器10把通過光電傳感器3監(jiān)測(cè)到的探針2的振動(dòng)信號(hào)經(jīng) 快速傅立葉變換，確定振幅最大值對(duì)應(yīng)的頻率為探針接觸諧振頻率后，將樣本超聲換能器5 的驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率設(shè)定為探針接觸諧振頻率。鎖相放大器11將探針接觸諧振頻率作為參考 信號(hào)，從光電傳感器3監(jiān)測(cè)的探針2振蕩信號(hào)中提取出聲信號(hào)，輸出到圖像顯示器12顯示 成次表面聲成像。
[0027] 如圖2所示，本發(fā)明的具體操作步驟為：
[0028] 1)跟蹤響應(yīng)原子力聲學(xué)顯微鏡探針與樣本當(dāng)前接觸點(diǎn)的表面形貌信息；
[0029] 2)確定探針接觸諧振頻率；
[0030] 3)設(shè)定樣本超聲換能器的激勵(lì)頻率為探針接觸諧振頻率；
[0031] 4)分離和提取圖像信號(hào)，將探針移至下一個(gè)接觸點(diǎn)。
[0032] 所述的步驟1)跟蹤響應(yīng)原子力聲學(xué)顯微鏡探針與樣本當(dāng)前接觸點(diǎn)的表面形貌信 息的方法為：
[0033] 原子力聲學(xué)顯微鏡探針2與樣本4當(dāng)前接觸點(diǎn)的表面形貌信息為低頻信號(hào)，該低 頻信號(hào)經(jīng)光電傳感器3檢測(cè)到后，輸出至Z掃描器反饋控制器7。Z掃描器反饋控制器7將 該信號(hào)與參考值，如-IV?IV之間，比較得出誤差信號(hào)并經(jīng)比例和積分運(yùn)算后輸出，該輸出 信號(hào)一方面作為樣本表面高度信號(hào)輸出到圖像顯示器12顯示成高度圖像，另一方面驅(qū)動(dòng)Z 掃描器8進(jìn)行Z方向伸縮運(yùn)動(dòng)，使探針2與樣本4當(dāng)前接觸點(diǎn)的相互作用力恒定，該恒定的 作用力使光電傳感器3檢測(cè)的電壓值等于上述參考值。
[0034] 所述的步驟2)確定探針接觸諧振頻率的方法為：
[0035] 主控制器10產(chǎn)生ΙΚΗζ方波信號(hào)驅(qū)動(dòng)探針超聲換能器9激勵(lì)探針2振蕩，光電傳 感器3檢測(cè)探針2對(duì)該方波激勵(lì)的響應(yīng)并將該響應(yīng)電壓信號(hào)傳回主控制器10,主控制器10 對(duì)該信號(hào)進(jìn)行快速傅立葉變換，通過尋找振幅最大值來確定其諧振頻率，該諧振頻率即為 探針接觸諧振頻率，如ΙΟΟΚΗζ。
[0036] 所述的步驟3)通過主控制器10產(chǎn)生樣本超聲換能器5的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
[0037] 所述的步驟4)分離和提取圖像信號(hào)的方法為：
[0038] 將步驟2)確定的探針接觸諧振頻率，如ΙΟΟΚΗζ，作為參考信號(hào)輸入鎖相放大器 11，同時(shí)將光電傳感器3檢測(cè)的探針偏轉(zhuǎn)信號(hào)作為鎖相放大器11的輸入信號(hào)。在探針掃描 初始接觸點(diǎn)時(shí)，調(diào)整鎖相放大器11的相位，使鎖相放大器11的輸出值A(chǔ)cos<p最大，其中A 為振幅值，P為鎖相放大器11參考信號(hào)和輸入信號(hào)的相位差。在繼續(xù)掃描探針與樣本下一 個(gè)接觸點(diǎn)時(shí)，保持鎖相放大器11的相位值不變，鎖相放大器11的輸出即為樣本4的 次表面結(jié)構(gòu)聲成像信號(hào)，通過圖像顯示器12顯示成次表面結(jié)構(gòu)圖像。
[0039] 上述主控制器10產(chǎn)生ΙΚΗζ方波信號(hào)、ΙΟΟΚΗζ正弦波信號(hào)及快速傅立葉變換均通 過FPGA實(shí)現(xiàn)。
【權(quán)利要求】
1. 一種原子力聲學(xué)顯微鏡探針接觸諧振頻率追蹤方法，其特征在于，所述的原子力聲 學(xué)顯微鏡探針接觸諧振頻率追蹤方法基于頻譜分析方法，通過快速傅立葉變換，將單頻方 波激勵(lì)代替正弦波掃頻，實(shí)現(xiàn)原子力聲學(xué)顯微鏡探針接觸諧振頻率的追蹤。
2. 按照權(quán)利要求1所述的原子力聲學(xué)顯微鏡探針接觸諧振頻率追蹤方法，其特征在 于，所述的追蹤方法的具體步驟為： 1) 跟蹤響應(yīng)原子力聲學(xué)顯微鏡的探針（2)與樣本（4)當(dāng)前接觸點(diǎn)的表面形貌信息； 2) 確定原子力聲學(xué)顯微鏡的探針接觸諧振頻率； 3) 設(shè)定樣本超聲換能器的激勵(lì)頻率為原子力聲學(xué)顯微鏡的探針接觸諧振頻率； 4) 分離和提取圖像信號(hào)，將原子力聲學(xué)顯微鏡的探針（2)移至下一個(gè)接觸點(diǎn)； 所述的步驟1)跟蹤響應(yīng)原子力聲學(xué)顯微鏡的探針（2)與樣本（4)當(dāng)前接觸點(diǎn)的表面 形貌信息的方法為： 原子力聲學(xué)顯微鏡的探針（2)與樣本（4)當(dāng)前接觸點(diǎn)的表面形貌信息為低頻信號(hào)，該 低頻信號(hào)經(jīng)光電傳感器（3)檢測(cè)到后，輸出至Z掃描器反饋控制器（7) ;Z掃描器反饋控制 器（7)將該信號(hào)與參考值比較，得出誤差信號(hào)并經(jīng)比例和積分運(yùn)算后輸出，該輸出信號(hào)一 方面作為樣本表面高度信號(hào)輸出到圖像顯示器（12)顯示成高度圖像，另一方面驅(qū)動(dòng)Z掃描 器⑶進(jìn)行Z方向伸縮運(yùn)動(dòng)，使探針⑵與樣本⑷當(dāng)前接觸點(diǎn)的相互作用力恒定，該恒定 的作用力使光電傳感器（3)檢測(cè)的電壓值等于上述參考值； 所述的步驟2)確定原子力聲學(xué)顯微鏡的探針接觸諧振頻率的方法為： 通過探針超聲換能器給原子力聲學(xué)顯微鏡的探針（2)施加單頻方波激勵(lì)信號(hào)，激勵(lì)探 針（2)振蕩；光電傳感器（3)檢測(cè)探針（2)對(duì)該方波激勵(lì)的響應(yīng)，并將該響應(yīng)電壓信號(hào)輸入 到主控制器（10);主控制器（10)進(jìn)行快速傅立葉變換，確定振幅最大值時(shí)對(duì)應(yīng)的諧振頻率 信息，該諧振頻率即為原子力聲學(xué)顯微鏡的探針接觸諧振頻率； 所述的步驟4)分離和提取圖像信號(hào)的方法為： 將步驟2)確定的探針接觸諧振頻率作為參考信號(hào)輸入鎖相放大器（11)，同時(shí)將光電 傳感器（3)檢測(cè)的探針偏轉(zhuǎn)信號(hào)作為鎖相放大器（11)的輸入信號(hào)；在原子力聲學(xué)顯微鏡的 探針（2)掃描初始接觸點(diǎn)時(shí)，調(diào)整鎖相放大器（11)的相位，使鎖相放大器（11)的輸出值最 大；在原子力聲學(xué)顯微鏡繼續(xù)掃描探針（2)與樣本（4)的其余接觸點(diǎn)時(shí)，保持鎖相放大器 (11)的相位值不變，鎖相放大器（11)即為樣本（4)的次表面結(jié)構(gòu)聲成像信號(hào)，通過圖像顯 示器（12)顯示成次表面結(jié)構(gòu)圖像。
【文檔編號(hào)】G01Q60/24GK104155477SQ201410397783
【公開日】2014年11月19日 申請(qǐng)日期:2014年8月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月13日
【發(fā)明者】陳代謝, 殷伯華, 韓立, 劉俊標(biāo), 林云生, 初明璋 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院電工研究所