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一种原子力声学显微镜探针接触谐振频率追踪方法
【专利摘要】一种原子力声学显微镜探针接触谐振频率追踪方法，所述的方法基于频谱分析方法，利用快速傅立叶变换(FFT)，将单频方波激励代替正弦波扫频，避免扫频过程对原子力声学显微镜成像速度的影响，实现原子力声学显微镜探针接触谐振频率的快速追踪。
【专利说明】一种原子力声学显微镜探针接触谐振频率追踪方法

【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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】

[0005] 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。
[0006] 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。
[0007] 本发明方法的具体步骤为：
[0008] 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；
[0009] 2)确定原子力声学显微镜的探针接触谐振频率；
[0010] 3)设定样本超声换能器的激励频率为探针接触谐振频率；
[0011] 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。
[0012] 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。
[0013] 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：
[0014] 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。
[0015] 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：
[0016] 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。
[0017] 所述的步骤4)分离和提取图像信号的方法为：
[0018] 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。
[0019] 本发明原理是：通过给探针的超声换能器施加单频方波信号，驱动探针振荡，光电 传感器检测该振荡，并将振荡信号输送到主控制器进行快速傅立叶变换，其中振幅最大值 时对应的频率信息即为探针接触谐振频率。
[0020] 本发明具有如下优点：
[0021] 利用现有电子学技术能迅速完成快速傅立叶变换，用单频方波激励代替正弦波扫 频，避免扫频过程对原子力声学显微镜成像速度的影响，实现原子力声学显微镜探针接触 谐振频率的快速追踪。根据探针接触谐振频率的变化，动态调整样本超声换能器的激励信 号，使其频率与探针接触谐振频率一致，从而保持探针对微弱声信号探测的高灵敏度。在保 证原子力声学显微镜高灵敏度探测的前提下，成像速度的提高，将进一步推动其对细胞体 内动态过程观察的应用。

【专利附图】

【附图说明】
[0022] 图1为原子力声学显微镜探针接触谐振频率快速追踪方法原理图；
[0023] 图2为本发明方法流程框图；
[0024] 图中：1激光器，2探针，3光电传感器，4样本，5样本超声换能器，6XY扫描器，7Z扫 描器反馈控制器，8Z扫描器，9探针超声换能器，10主控制器，11锁相放大器，12图像显示 器。

【具体实施方式】
[0025] 以下结合附图和【具体实施方式】进一步说明本发明。
[0026] 如图1所示为原子力声学显微镜探针接触谐振频率快速追踪方法原理图。激光 器1从样本4上方发射一束激光束经探针2背面反射至样本4上方的光电传感器3,探针2 与样本4的上表面接触，样本4的下方粘接样本超声换能器5。样本4和样本超声换能器 5 -起堆叠在XY扫描器6上。光电传感器3同时输出电压信号至反馈控制器7、主控制器 10和锁相放大器11。反馈控制器7接收光电传感器3的信号后输出控制电压，该控制电压 一方面驱动Z扫描器8带动探针2在Z方向上下运动，另一方面用于图像显示器12显示成 高度像。主控制器10输出单频方波信号至探针超声换能器9,并使粘接于探针超声换能器 9上的探针2振荡。同时，主控制器10把通过光电传感器3监测到的探针2的振动信号经 快速傅立叶变换，确定振幅最大值对应的频率为探针接触谐振频率后，将样本超声换能器5 的驱动信号频率设定为探针接触谐振频率。锁相放大器11将探针接触谐振频率作为参考 信号，从光电传感器3监测的探针2振荡信号中提取出声信号，输出到图像显示器12显示 成次表面声成像。
[0027] 如图2所示，本发明的具体操作步骤为：
[0028] 1)跟踪响应原子力声学显微镜探针与样本当前接触点的表面形貌信息；
[0029] 2)确定探针接触谐振频率；
[0030] 3)设定样本超声换能器的激励频率为探针接触谐振频率；
[0031] 4)分离和提取图像信号，将探针移至下一个接触点。
[0032] 所述的步骤1)跟踪响应原子力声学显微镜探针与样本当前接触点的表面形貌信 息的方法为：
[0033] 原子力声学显微镜探针2与样本4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3检测到后，输出至Z扫描器反馈控制器7。Z扫描器反馈控制器7将 该信号与参考值，如-IV?IV之间，比较得出误差信号并经比例和积分运算后输出，该输出 信号一方面作为样本表面高度信号输出到图像显示器12显示成高度图像，另一方面驱动Z 扫描器8进行Z方向伸缩运动，使探针2与样本4当前接触点的相互作用力恒定，该恒定的 作用力使光电传感器3检测的电压值等于上述参考值。
[0034] 所述的步骤2)确定探针接触谐振频率的方法为：
[0035] 主控制器10产生ΙΚΗζ方波信号驱动探针超声换能器9激励探针2振荡，光电传 感器3检测探针2对该方波激励的响应并将该响应电压信号传回主控制器10,主控制器10 对该信号进行快速傅立叶变换，通过寻找振幅最大值来确定其谐振频率，该谐振频率即为 探针接触谐振频率，如ΙΟΟΚΗζ。
[0036] 所述的步骤3)通过主控制器10产生样本超声换能器5的驱动信号。
[0037] 所述的步骤4)分离和提取图像信号的方法为：
[0038] 将步骤2)确定的探针接触谐振频率，如ΙΟΟΚΗζ，作为参考信号输入锁相放大器 11，同时将光电传感器3检测的探针偏转信号作为锁相放大器11的输入信号。在探针扫描 初始接触点时，调整锁相放大器11的相位，使锁相放大器11的输出值Acos<p最大，其中A 为振幅值，P为锁相放大器11参考信号和输入信号的相位差。在继续扫描探针与样本下一 个接触点时，保持锁相放大器11的相位值不变，锁相放大器11的输出即为样本4的 次表面结构声成像信号，通过图像显示器12显示成次表面结构图像。
[0039] 上述主控制器10产生ΙΚΗζ方波信号、ΙΟΟΚΗζ正弦波信号及快速傅立叶变换均通 过FPGA实现。
【权利要求】
1. 一种原子力声学显微镜探针接触谐振频率追踪方法，其特征在于，所述的原子力声 学显微镜探针接触谐振频率追踪方法基于频谱分析方法，通过快速傅立叶变换，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追踪。
2. 按照权利要求1所述的原子力声学显微镜探针接触谐振频率追踪方法，其特征在 于，所述的追踪方法的具体步骤为： 1) 跟踪响应原子力声学显微镜的探针（2)与样本（4)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原子力声学显微镜的探针接触谐振频率； 4) 分离和提取图像信号，将原子力声学显微镜的探针（2)移至下一个接触点； 所述的步骤1)跟踪响应原子力声学显微镜的探针（2)与样本（4)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（2)与样本（4)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（3)检测到后，输出至Z扫描器反馈控制器（7) ;Z扫描器反馈控制 器（7)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，该输出信号一 方面作为样本表面高度信号输出到图像显示器（12)显示成高度图像，另一方面驱动Z扫描 器⑶进行Z方向伸缩运动，使探针⑵与样本⑷当前接触点的相互作用力恒定，该恒定 的作用力使光电传感器（3)检测的电压值等于上述参考值； 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（2)施加单频方波激励信号，激励探 针（2)振荡；光电传感器（3)检测探针（2)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（10);主控制器（10)进行快速傅立叶变换，确定振幅最大值时对应的谐振频率 信息，该谐振频率即为原子力声学显微镜的探针接触谐振频率； 所述的步骤4)分离和提取图像信号的方法为： 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（11)，同时将光电 传感器（3)检测的探针偏转信号作为锁相放大器（11)的输入信号；在原子力声学显微镜的 探针（2)扫描初始接触点时，调整锁相放大器（11)的相位，使锁相放大器（11)的输出值最 大；在原子力声学显微镜继续扫描探针（2)与样本（4)的其余接触点时，保持锁相放大器 (11)的相位值不变，锁相放大器（11)即为样本（4)的次表面结构声成像信号，通过图像显 示器（12)显示成次表面结构图像。
【文档编号】G01Q60/24GK104155477SQ201410397783
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月13日 优先权日:2014年8月13日
【发明者】陈代谢, 殷伯华, 韩立, 刘俊标, 林云生, 初明璋 申请人:中国科学院电工研究所