[发明专利]反馈稳幅的调幅测力梯度仪及其扫描力显微镜和测频仪

说明书

技术领域

本发明涉及一种测力梯度仪，特别涉及一种反馈稳幅的振幅调制测力梯度仪以及用其制成的扫描力显微镜和测频仪，属于扫描探针显微镜技术领域。

背景技术

原子力显微镜主要的成像模式包括接触模式和非接触模式。前者虽也能给出周期性的品格图像，但不是真正的原子分辨率(因为测量的是许多探针原子与许多样品原子间的总作用)，只有后者才能给出真正的原子分辨图像(true atomic resolution)，是比前者重要得多的成像模式。在非接触模式中，探针不与样品接触，而是通过力传感器带动在样品上方振动，并通过测量扫描过程中力传感器动态共振频率ω₀的变化来对探针与样品间的作用力梯度F’进行成像。所以，非接触模式的成像质量直接受限于其对力传感器动态共振频率ω₀的分辨能力。非接触模式早期是通过调幅法实现的：信号产生器以力传感器动态共振频率ω₀附近的某一固定频率ω₀₀驱动力传感器振动，而在扫描过程中探针与样品间作用力梯度F’的变化会导致力传感器的振幅A_sr发生变化，该振幅变化被转换成电压信号来成像。该方法的优点是：对于品质因子Q很高的力传感器，其振幅对其动态共振频率ω₀变化的响应灵敏度很高，有很高的频率分辨率，因为高品质因子Q的力传感器的共振峰很尖锐。但这种方法也有一个致命的缺点：品质因子Q越高，振幅响应的时间越长，导致成像时间长到难以忍受。所以，这种调幅非接触模式问世后不久就被调频非接触模式淘汰，虽然后者的频率分辨率较低。这种淘汰是很彻底的，至今已见不到调幅非接触模式的使用了。

本发明提出一种新的调幅非接触模式：驱动力传感器振动的频率依然是固定的，但振幅由一个闭环反馈控制回路维持不变，既然力传感器振幅维持不变，就不需要很长的响应时间了，而成像信号可以来自维持力传感器振幅不变的驱动调制信号。我们已用此法成功地在高Q振动条件下实现了快速成像，而且，如我们所预料的那样：成像质量很高，且速度快到可以接受的地步。

这种技术不仅适用于原子力显微镜，也适用于其它扫描力显微镜，如磁力显微镜，扫描摩擦力显微镜，扫描静电力显微镜等，还可以用来直接测量未知信号的频率。

发明内容

本发明的目的：为解决上述缺陷，提出一种能提高调幅非接触测力梯度模式测量速度的反馈稳幅的调幅测力梯度仪以及用其制成的扫描力显微镜和测频仪。

本发明实现上述目的的技术方案是：

本发明反馈稳幅的调幅测力梯度仪，包括力传感器、力传感器信号检测器、压电振荡器、振幅检测器，力传感器固定于压电振荡器上，力传感器输出至力传感器信号检测器，力传感器信号检测器输出至振幅检测器的输入，其特征在于还包含比较器、可变增益放大器、偏差信号放大器，所述比较器的信号输入和输出的偏差信号分别接振幅检测器的输出和偏差信号放大器的输入，所述可变增益放大器的增益控制输入和输出分别接偏差信号放大器输出和压电振荡器，本发明反馈稳幅的调幅测力梯度仪的输出、频率输入和振幅设置输入分别由偏差信号放大器的输出、可变增益放大器的信号输入和比较器的参考输入构成。

所述偏差信号放大器为如下之一：(a)比例放大器P，(b)积分器I，(c)比例-积分器PI，(d)比例-微分器PD，(e)积分-微分器ID，(f)比例-积分-微分器PID。

所述可变增益放大器由乘法器构成，其两个输入分别构成所述可变增益放大器的信号输入和增益控制输入。

所述振幅检测器为如下之一：(a)均方根到直流转换器，(b)两输入端短接成一个输入端的乘法器输出到一个低通滤波器。

所述力传感器为微悬臂或石英音叉。

所述力传感器为微悬臂，所述力传感器信号检测器是反射激光位置敏感探测器。

所述力传感器为石英音叉，所述力传感器信号检测器是电流到电压转换器。

所述力传感器为压阻微悬臂，所述力传感器信号检测器是测阻电桥。

反馈稳幅的调幅测力梯度仪构成的扫描力显微镜，其特征是包括样品、探针、XYZ定位器和所述反馈稳幅的调幅测力梯度仪，所述探针固定于力传感器上，XYZ定位器置于样品与压电振荡器之间。

反馈稳幅的调幅测力梯度仪构成的测频率器，其特征是包括频率待测信号和所述反馈稳幅的调幅测力梯度仪，所述频率待测信号接所述反馈稳幅的调幅测力梯度仪的频率输入。