[实用新型]微悬臂梁高阶谐振态控制机构及其原子力显微镜

说明书

本实用新型公开了微悬臂梁高阶谐振态控制机构及其原子力显微镜，所述高阶谐振态控制机构包括微悬臂梁高阶谐振模态激励与检测单元和控制模块，其中：所述微悬臂梁高阶谐振模态激励与检测单元包括用于获取微悬臂梁当前谐振阶数的扫频测试模块、用于激励所述微悬臂梁震动的高阶谐振激励模块和用于记录并存储所述微悬臂梁振幅和相位值的高阶谐振响应模块；所述扫频测试模块和高阶谐振激励模块分别与所述控制模块通讯连接，所述高阶谐振响应模块通过AFM控制器与所述控制模块通讯连接。本实用新型可大大提高AFM的扫描速度，可根据需求设定微悬臂梁谐振阶数。

技术领域

本实用新型涉及原子力显微镜技术领域，特别是涉及一种微悬臂梁高阶谐振态控制机构及其原子力显微镜。

背景技术

由于具备较高的测试精确度且对样品表面无特殊要求，原子力显微术(AFM)应用广泛。依据微悬臂梁的工作方式不同，传统AFM工作模式包括静态模式和动态模式。静态模式即传统的接触模式和非接触模式，带有探针的微悬臂梁接触样品，并在样品表面扫描。动态模式即传统的轻敲模式，采用不同频率的正弦信号激励微悬臂梁，使其在谐振频率处振动，针尖逐渐靠近样品表面的过程中，样品表面形貌的变化使得针尖与表面原子之间的非线性作用力不断变化，从而引起微悬臂梁的振幅/频率的变化，通过反馈控制回路控制幅值或频移处于某固定值，检测反馈控制回路的输出可得样品表面的形貌或力学特性。相比静态模式，动态模式下的测试具有横向力小、不易破坏样品表面特性及可获得样品表面成分对比的优点，应用更广。

常见的动态模式一般通过激发和检测微悬臂梁的一阶谐振态进行测试，其灵敏度、分辨力和成像速度均受到微悬臂梁几何参数的制约而无法得到进一步提高。该问题的直接解决方法是通过加工小至几微米的微悬臂梁提高系统的动态特性，而小的微悬臂梁对加工工艺提出更高要求，增加了实验成本，同时，要求微悬臂梁弯曲检测系统更加复杂和精密。而近年来，随着微/纳机电系统(MEMS/NEMS)、微半导体工业及生命科学、新型材料等领域的迅速发展，对微纳米测试的分辨力和灵敏度提出了更高的要求。因此，一种基于微悬臂梁高阶谐振态的原子力显微测试机构是十分必要的。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有技术中存在的AFM动态检测模式灵敏度和分辨率低的问题，而提供一种原子力显微镜用微悬臂梁高阶谐振态控制机构，该机构可集成在传统AFM系统中，提高原子力显微术的空间分辨力、灵敏度和测试效率，操作方便，成本低廉。

本实用新型的另一方面，是提供一种集成所述微悬臂梁高阶谐振态控制机构的原子力显微镜，可在该原子力显微镜上调整谐振阶数。

为实现本实用新型的目的所采用的技术方案是：

原子力显微镜用微悬臂梁高阶谐振态控制机构，包括微悬臂梁高阶谐振模态激励与检测单元和控制模块，其中：所述微悬臂梁高阶谐振模态激励与检测单元包括用于获取微悬臂梁当前谐振阶数的扫频测试模块、用于激励所述微悬臂梁震动的高阶谐振激励模块和用于记录并存储所述微悬臂梁振幅和相位值的高阶谐振响应模块；所述扫频测试模块和高阶谐振激励模块分别与所述控制模块通讯连接，所述高阶谐振响应模块通过AFM控制器与所述控制模块通讯连接。

在上述技术方案中，所述扫频测试模块为直接数字式频率合成器AD9959。

在上述技术方案中，所述高阶谐振激励模块是以FPGA芯片Spartan-6和数模转换芯片 AD5433为核心的数字锁相放大器。

在上述技术方案中，所述Spartan-6的D0-D9引脚和所述AD5433的DB0-DB9引脚相连，所述Spartan-6的FCS_B引脚和所述AD5433的CS引脚相连，所述Spartan-6的FWE_B引脚和所述AD5433的R/W引脚相连。

在上述技术方案中，所述高阶谐振响应模块采用数据采集卡。

在上述技术方案中，所述数据采集卡为高速数据采集卡PXI-6366。