[发明专利]一种基于差分降噪的SICM电压调制成像装置和方法

权利要求书

1.一种基于差分降噪的SICM电压调制成像装置，其特征在于包括：信号发生器(1)、膜片钳放大器(2)、探针(3)、参比电极(5)、锁相放大器(6)、人机交互界面(7)、PID控制器(8)、纳米平台控制器(9)、Z轴压电陶瓷(10)和XY纳米平台(11)；

膜片钳放大器(2)与探针(3)中的工作电极(4)、溶液中的参比电极(5)连接，还分别与信号发生器(1)、锁相放大器(6)连接；信号发生器(1)、锁相放大器(6)、人机交互界面(7)、PID控制器(8)、纳米平台控制器(9)、Z轴压电陶瓷(10)顺序连接；所述锁相放大器(6)与PID控制器(8)连接，人机交互界面(7)、纳米平台控制器(9)和XY纳米平台(11)顺序连接；

所述探针(3)与Z轴压电陶瓷(10)连接，装有溶液的容器置于XY纳米平台(11)上；

包括以下步骤：

1)信号发生器(1)产生两路同频交流电压，一路连接到膜片钳放大器(2)的外部电压输入端口，施加到工作电极(4)和参比电极(5)上作为驱动电压，另一路连接到锁相放大器(6)的参考信号端作为参考电压；

2)膜片钳放大器(2)检测回路中的离子电流，经I-V变换放大后由输出端口输出电压至锁相放大器(6)的差分输入端口1；锁相放大器(6)输入方式为单输入；

3)通过控制Z轴压电陶瓷(10)使探针逼近样品；

4)施加电容补偿：调节膜片钳放大器(2)的电容补偿值C_comp，并增加驱动电压幅值；

5)差分降噪反馈信号调制：与参考信号同频同相位的调制信号输出到锁相放大器(6)的差分输入端口2，锁相放大器(6)输入方式为差分输入，先增加调制信号的电压幅值再增加信号发生器驱动电压幅值，重复进行多次；

6)计算得到新的电流设定值，使得反馈信号调制前后探针在工作点处的针尖与样品距离保持不变；

7)锁相放大器(6)提取差分输入端口1与输入端口2的输入信号中与参考电压同频同相分量或同频正交分量在信号输出端输出，作为PID控制器(8)的反馈信号，以新的电流设定值控制Z轴压电陶瓷(10)上下运动，使针尖与样品距离保持恒定；

8)控制XY向纳米平台(11)在水平面带动样品XY向运动，同时Z轴压电陶瓷(10)带动探针在样品表面随高度变化运动，记录下探针及样品相对位移的轨迹，得到样品的表面形貌，完成图像扫描；

新的电流设定值包括以下步骤：

记录反馈信号调制前施加在两个电极间的驱动电压幅值u₁，回路电流的分量I_{ref_1}，工作电流设定值sp₁，记录反馈信号调制后驱动电压增加到的幅值u₂；其中回路电流的分量I_{ref_1}具体为：同相电压调制模式下为同相分量I_{sol_ref_1}，正交电压调制模式下为正交分量I_{cap_ref_1}；

计算得到反馈信号调制后回路电流中的分量I_{ref_2}、分量变化量e_{sp_2}；其中分量I_{ref_2}具体为：同相电压调制模式下为同相分量I_{sol_ref_2}，正交电压调制模式下为正交分量I_{cap_ref_2}；分量变化量e_{sp_2}具体为：同相电压调制模式下为同相分量变化量e_{sol_sp_2}，正交电压调制模式下为正交分量变化量e_{cap_sp_2}，其中e_{sp_2}指反馈信号调制后，对应调制前同样的探针工作距离，回路电流分量的设定值与基准电流值之差，其中基准电流值是指探针远离样品一定距离后离子电流不受探针-样品距离影响而保持在最大值时的电流值；

记录反馈信号调制后探针远离样品时锁相放大器(6)输出的分量幅值，包括同相电压调制模式下为同相分量X_{ref_2}，正交电压调制模式下为正交分量Y_{ref_2}，再由e_{sp_2}计算得到新的电流设定值sp₂；

分量变化量e_{sp_2}：

新的电流设定值,

其中，同相电压调制模式为：

sp₂＝1-e_{sol_sp_2}/X_{ref_2}

正交电压调制模式为：

sp₂＝1+e_{cap_sp_2}/Y_{ref_2}。