[发明专利]一种原子力声学显微镜探针接触谐振频率追踪方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种原子力声学显微镜探针接触谐振频率的追踪方法。

背景技术

原子力声学显微镜是在原子力显微镜基础上发展而形成的近场声成像技术，通常是在原子力显微镜上增加一个声激发和检测系统而组成，它使我们可以用声波在纳米尺度上观察和研究材料表面和次表面显微结构的声成像技术，在生物领域应用前景相当广泛。

原子力声学显微镜主要从探测端入手，利用扫描探针针尖(曲率半径20nm左右)具有高成像分辨力的特点，将声信号检测空间精度提高到纳米量级。根据声信号激励方式的不同，原子力声学显微镜一般可分为样本激励方式、探针激励方式和探针与样本差频激励方式。与原子力显微镜类似，原子力声学显微镜又可以根据探针与样本的工作距离分为接触、半接触和远离工作模式。为了克服声波衍射极限对成像分辨力的影响，且在获得表面、次表面显微结构的同时获得样本表面的力学特征，一般采用超声换能器激励样本振动，探针与样本接触扫描成像的方式。

在用原子力声学显微镜扫描成像时，随着样本表面和次表面结构性质的变化，探针与样本的接触谐振频率也会产生变化。为了保持探针高灵敏度地探测从样本次表面传递过来的声信号，需要根据探针接触谐振频率的变化动态调整样本声信号的激励频率。中国专利201010194831.9提出用正弦波扫频的方式追踪探针接触谐振频率的变化，然而扫频的方法需要控制器发出一系列连续的、不同频率的正弦波，并且需要读回每一个驱动频率下探针的响应状态，这势必将给原子力声学显微镜的成像速度带来不利影响。

发明内容

本发明目的是克服现有的利用扫频来追踪原子力声学显微镜探针接触谐振频率速度慢的缺点，提出一种快速追踪原子力声学显微镜探针接触谐振频率的方法。

本发明基于频谱分析方法，利用快速傅立叶变换(FFT)，将单频方波激励代替正弦波扫频，实现原子力声学显微镜探针接触谐振频率的快速追踪。

本发明方法的具体步骤为：

1)跟踪响应原子力声学显微镜的探针与样本当前接触点的表面形貌信息；

2)确定原子力声学显微镜的探针接触谐振频率；

3)设定样本超声换能器的激励频率为探针接触谐振频率；

4)分离和提取图像信号，将原子力声学显微镜的探针移至下一个接触点。

所述原子力声学显微镜与原子力显微镜的硬件系统构成基本相同，主要包括探针、激光器、光电传感器、Z扫描器反馈控制器、XY扫描器、Z扫描器、步进电机和主控制器。原子力声学显微镜在原子力显微镜的基础上引入探针超声换能器、样本超声换能器和锁相放大器，探针超声换能器与探针机械连接并在交流信号的驱动下激励探针振荡；样本超声换能器与样本机械连接并在交流信号的驱动下激励样本振荡；锁相放大器以驱动样本振荡的信号作为参考信号，以光电传感器的输出信号作为输入信号，从而检测探针感应的微弱超声信号。

所述的步骤1)跟踪响应原子力声学显微镜的探针与样本当前接触点的表面形貌信息的方法为：

原子力声学显微镜的探针与样本当前接触点的表面形貌信息为低频信号，该低频信号经光电传感器检测到后，输出至Z扫描器反馈控制器。Z扫描器反馈控制器将该信号与参考值比较得出误差信号并经比例和积分运算后输出Z扫描器，作为Z扫描器的驱动信号，Z扫描器在该驱动信号驱动下进行相应的Z方向伸缩运动，使探针与样本当前接触点的相互作用力保持在参考值。Z扫描器的伸缩量与样本被接触点的表面形貌信息一致，Z扫描器的驱动信号即为样本表面形貌信号。

所述的步骤2)确定原子力声学显微镜的探针接触谐振频率的方法为：

通过探针超声换能器给原子力声学显微镜的探针施加单频方波激励信号，激励探针振荡；光电传感器检测探针对该方波激励的响应，并将该响应电压信号输入到主控制器。主控制器进行快速傅立叶变换，确定振幅最大值时对应的频率信息，该频率即为探针接触谐振频率。

所述的步骤4)分离和提取图像信号的方法为：

步骤1)所述Z扫描器的驱动信号即为样本表面形貌信号，且该信号为低频信号。将步骤2)确定的探针接触谐振频率作为参考信号输入锁相放大器，同时将光电传感器检测的探针偏转信号作为锁相放大器的输入信号。在原子力声学显微镜的探针扫描初始接触点时，调整锁相放大器的相位，使锁相放大器的输出值最大，并在原子力声学显微镜扫描剩余的探针和样本的接触点时，保持锁相放大器的相位值不变，锁相放大器的输出即为样本次表面声成像信号。