一種原子力聲學顯微鏡探針接觸諧振頻率追蹤方法
【專利摘要】一種原子力聲學顯微鏡探針接觸諧振頻率追蹤方法，所述的方法基于頻譜分析方法，利用快速傅立葉變換(FFT)，將單頻方波激勵代替正弦波掃頻，避免掃頻過程對原子力聲學顯微鏡成像速度的影響，實現原子力聲學顯微鏡探針接觸諧振頻率的快速追蹤。
【專利說明】一種原子力聲學顯微鏡探針接觸諧振頻率追蹤方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種原子力聲學顯微鏡探針接觸諧振頻率的追蹤方法。

【背景技術】
[0002] 原子力聲學顯微鏡是在原子力顯微鏡基礎上發展而形成的近場聲成像技術，通常 是在原子力顯微鏡上增加一個聲激發和檢測系統而組成，它使我們可以用聲波在納米尺度 上觀察和研究材料表面和次表面顯微結構的聲成像技術，在生物領域應用前景相當廣泛。
[0003] 原子力聲學顯微鏡主要從探測端入手，利用掃描探針針尖（曲率半徑20nm左右） 具有高成像分辨力的特點，將聲信號檢測空間精度提高到納米量級。根據聲信號激勵方式 的不同，原子力聲學顯微鏡一般可分為樣本激勵方式、探針激勵方式和探針與樣本差頻激 勵方式。與原子力顯微鏡類似，原子力聲學顯微鏡又可以根據探針與樣本的工作距離分為 接觸、半接觸和遠離工作模式。為了克服聲波衍射極限對成像分辨力的影響，且在獲得表 面、次表面顯微結構的同時獲得樣本表面的力學特征，一般采用超聲換能器激勵樣本振動， 探針與樣本接觸掃描成像的方式。
[0004] 在用原子力聲學顯微鏡掃描成像時，隨著樣本表面和次表面結構性質的變化，探 針與樣本的接觸諧振頻率也會產生變化。為了保持探針高靈敏度地探測從樣本次表面傳遞 過來的聲信號，需要根據探針接觸諧振頻率的變化動態調整樣本聲信號的激勵頻率。中國 專利201010194831. 9提出用正弦波掃頻的方式追蹤探針接觸諧振頻率的變化，然而掃頻 的方法需要控制器發出一系列連續的、不同頻率的正弦波，并且需要讀回每一個驅動頻率 下探針的響應狀態，這勢必將給原子力聲學顯微鏡的成像速度帶來不利影響。


【發明內容】

[0005] 本發明目的是克服現有的利用掃頻來追蹤原子力聲學顯微鏡探針接觸諧振頻率 速度慢的缺點，提出一種快速追蹤原子力聲學顯微鏡探針接觸諧振頻率的方法。
[0006] 本發明基于頻譜分析方法，利用快速傅立葉變換（FFT)，將單頻方波激勵代替正弦 波掃頻，實現原子力聲學顯微鏡探針接觸諧振頻率的快速追蹤。
[0007] 本發明方法的具體步驟為：
[0008] 1)跟蹤響應原子力聲學顯微鏡的探針與樣本當前接觸點的表面形貌信息；
[0009] 2)確定原子力聲學顯微鏡的探針接觸諧振頻率；
[0010] 3)設定樣本超聲換能器的激勵頻率為探針接觸諧振頻率；
[0011] 4)分離和提取圖像信號，將原子力聲學顯微鏡的探針移至下一個接觸點。
[0012] 所述原子力聲學顯微鏡與原子力顯微鏡的硬件系統構成基本相同，主要包括探 針、激光器、光電傳感器、Z掃描器反饋控制器、XY掃描器、Z掃描器、步進電機和主控制器。 原子力聲學顯微鏡在原子力顯微鏡的基礎上引入探針超聲換能器、樣本超聲換能器和鎖相 放大器，探針超聲換能器與探針機械連接并在交流信號的驅動下激勵探針振蕩；樣本超聲 換能器與樣本機械連接并在交流信號的驅動下激勵樣本振蕩；鎖相放大器以驅動樣本振蕩 的信號作為參考信號，以光電傳感器的輸出信號作為輸入信號，從而檢測探針感應的微弱 超聲信號。
[0013] 所述的步驟1)跟蹤響應原子力聲學顯微鏡的探針與樣本當前接觸點的表面形貌 信息的方法為：
[0014] 原子力聲學顯微鏡的探針與樣本當前接觸點的表面形貌信息為低頻信號，該低頻 信號經光電傳感器檢測到后，輸出至Z掃描器反饋控制器。Z掃描器反饋控制器將該信號 與參考值比較得出誤差信號并經比例和積分運算后輸出Z掃描器，作為Z掃描器的驅動信 號，Z掃描器在該驅動信號驅動下進行相應的Z方向伸縮運動，使探針與樣本當前接觸點的 相互作用力保持在參考值。Z掃描器的伸縮量與樣本被接觸點的表面形貌信息一致，Z掃描 器的驅動信號即為樣本表面形貌信號。
[0015] 所述的步驟2)確定原子力聲學顯微鏡的探針接觸諧振頻率的方法為：
[0016] 通過探針超聲換能器給原子力聲學顯微鏡的探針施加單頻方波激勵信號，激勵探 針振蕩；光電傳感器檢測探針對該方波激勵的響應，并將該響應電壓信號輸入到主控制器。 主控制器進行快速傅立葉變換，確定振幅最大值時對應的頻率信息，該頻率即為探針接觸 諧振頻率。
[0017] 所述的步驟4)分離和提取圖像信號的方法為：
[0018] 步驟1)所述Z掃描器的驅動信號即為樣本表面形貌信號，且該信號為低頻信號。 將步驟2)確定的探針接觸諧振頻率作為參考信號輸入鎖相放大器，同時將光電傳感器檢 測的探針偏轉信號作為鎖相放大器的輸入信號。在原子力聲學顯微鏡的探針掃描初始接觸 點時，調整鎖相放大器的相位，使鎖相放大器的輸出值最大，并在原子力聲學顯微鏡掃描剩 余的探針和樣本的接觸點時，保持鎖相放大器的相位值不變，鎖相放大器的輸出即為樣本 次表面聲成像信號。
[0019] 本發明原理是：通過給探針的超聲換能器施加單頻方波信號，驅動探針振蕩，光電 傳感器檢測該振蕩，并將振蕩信號輸送到主控制器進行快速傅立葉變換，其中振幅最大值 時對應的頻率信息即為探針接觸諧振頻率。
[0020] 本發明具有如下優點：
[0021] 利用現有電子學技術能迅速完成快速傅立葉變換，用單頻方波激勵代替正弦波掃 頻，避免掃頻過程對原子力聲學顯微鏡成像速度的影響，實現原子力聲學顯微鏡探針接觸 諧振頻率的快速追蹤。根據探針接觸諧振頻率的變化，動態調整樣本超聲換能器的激勵信 號，使其頻率與探針接觸諧振頻率一致，從而保持探針對微弱聲信號探測的高靈敏度。在保 證原子力聲學顯微鏡高靈敏度探測的前提下，成像速度的提高，將進一步推動其對細胞體 內動態過程觀察的應用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022] 圖1為原子力聲學顯微鏡探針接觸諧振頻率快速追蹤方法原理圖；
[0023] 圖2為本發明方法流程框圖；
[0024] 圖中：1激光器，2探針，3光電傳感器，4樣本，5樣本超聲換能器，6XY掃描器，7Z掃 描器反饋控制器，8Z掃描器，9探針超聲換能器，10主控制器，11鎖相放大器，12圖像顯示 器。

【具體實施方式】
[0025] 以下結合附圖和【具體實施方式】進一步說明本發明。
[0026] 如圖1所示為原子力聲學顯微鏡探針接觸諧振頻率快速追蹤方法原理圖。激光 器1從樣本4上方發射一束激光束經探針2背面反射至樣本4上方的光電傳感器3,探針2 與樣本4的上表面接觸，樣本4的下方粘接樣本超聲換能器5。樣本4和樣本超聲換能器 5 -起堆疊在XY掃描器6上。光電傳感器3同時輸出電壓信號至反饋控制器7、主控制器 10和鎖相放大器11。反饋控制器7接收光電傳感器3的信號后輸出控制電壓，該控制電壓 一方面驅動Z掃描器8帶動探針2在Z方向上下運動，另一方面用于圖像顯示器12顯示成 高度像。主控制器10輸出單頻方波信號至探針超聲換能器9,并使粘接于探針超聲換能器 9上的探針2振蕩。同時，主控制器10把通過光電傳感器3監測到的探針2的振動信號經 快速傅立葉變換，確定振幅最大值對應的頻率為探針接觸諧振頻率后，將樣本超聲換能器5 的驅動信號頻率設定為探針接觸諧振頻率。鎖相放大器11將探針接觸諧振頻率作為參考 信號，從光電傳感器3監測的探針2振蕩信號中提取出聲信號，輸出到圖像顯示器12顯示 成次表面聲成像。
[0027] 如圖2所示，本發明的具體操作步驟為：
[0028] 1)跟蹤響應原子力聲學顯微鏡探針與樣本當前接觸點的表面形貌信息；
[0029] 2)確定探針接觸諧振頻率；
[0030] 3)設定樣本超聲換能器的激勵頻率為探針接觸諧振頻率；
[0031] 4)分離和提取圖像信號，將探針移至下一個接觸點。
[0032] 所述的步驟1)跟蹤響應原子力聲學顯微鏡探針與樣本當前接觸點的表面形貌信 息的方法為：
[0033] 原子力聲學顯微鏡探針2與樣本4當前接觸點的表面形貌信息為低頻信號，該低 頻信號經光電傳感器3檢測到后，輸出至Z掃描器反饋控制器7。Z掃描器反饋控制器7將 該信號與參考值，如-IV?IV之間，比較得出誤差信號并經比例和積分運算后輸出，該輸出 信號一方面作為樣本表面高度信號輸出到圖像顯示器12顯示成高度圖像，另一方面驅動Z 掃描器8進行Z方向伸縮運動，使探針2與樣本4當前接觸點的相互作用力恒定，該恒定的 作用力使光電傳感器3檢測的電壓值等于上述參考值。
[0034] 所述的步驟2)確定探針接觸諧振頻率的方法為：
[0035] 主控制器10產生ΙΚΗζ方波信號驅動探針超聲換能器9激勵探針2振蕩，光電傳 感器3檢測探針2對該方波激勵的響應并將該響應電壓信號傳回主控制器10,主控制器10 對該信號進行快速傅立葉變換，通過尋找振幅最大值來確定其諧振頻率，該諧振頻率即為 探針接觸諧振頻率，如ΙΟΟΚΗζ。
[0036] 所述的步驟3)通過主控制器10產生樣本超聲換能器5的驅動信號。
[0037] 所述的步驟4)分離和提取圖像信號的方法為：
[0038] 將步驟2)確定的探針接觸諧振頻率，如ΙΟΟΚΗζ，作為參考信號輸入鎖相放大器 11，同時將光電傳感器3檢測的探針偏轉信號作為鎖相放大器11的輸入信號。在探針掃描 初始接觸點時，調整鎖相放大器11的相位，使鎖相放大器11的輸出值Acos<p最大，其中A 為振幅值，P為鎖相放大器11參考信號和輸入信號的相位差。在繼續掃描探針與樣本下一 個接觸點時，保持鎖相放大器11的相位值不變，鎖相放大器11的輸出即為樣本4的 次表面結構聲成像信號，通過圖像顯示器12顯示成次表面結構圖像。
[0039] 上述主控制器10產生ΙΚΗζ方波信號、ΙΟΟΚΗζ正弦波信號及快速傅立葉變換均通 過FPGA實現。
【權利要求】
1. 一種原子力聲學顯微鏡探針接觸諧振頻率追蹤方法，其特征在于，所述的原子力聲 學顯微鏡探針接觸諧振頻率追蹤方法基于頻譜分析方法，通過快速傅立葉變換，將單頻方 波激勵代替正弦波掃頻，實現原子力聲學顯微鏡探針接觸諧振頻率的追蹤。
2. 按照權利要求1所述的原子力聲學顯微鏡探針接觸諧振頻率追蹤方法，其特征在 于，所述的追蹤方法的具體步驟為： 1) 跟蹤響應原子力聲學顯微鏡的探針（2)與樣本（4)當前接觸點的表面形貌信息； 2) 確定原子力聲學顯微鏡的探針接觸諧振頻率； 3) 設定樣本超聲換能器的激勵頻率為原子力聲學顯微鏡的探針接觸諧振頻率； 4) 分離和提取圖像信號，將原子力聲學顯微鏡的探針（2)移至下一個接觸點； 所述的步驟1)跟蹤響應原子力聲學顯微鏡的探針（2)與樣本（4)當前接觸點的表面 形貌信息的方法為： 原子力聲學顯微鏡的探針（2)與樣本（4)當前接觸點的表面形貌信息為低頻信號，該 低頻信號經光電傳感器（3)檢測到后，輸出至Z掃描器反饋控制器（7) ;Z掃描器反饋控制 器（7)將該信號與參考值比較，得出誤差信號并經比例和積分運算后輸出，該輸出信號一 方面作為樣本表面高度信號輸出到圖像顯示器（12)顯示成高度圖像，另一方面驅動Z掃描 器⑶進行Z方向伸縮運動，使探針⑵與樣本⑷當前接觸點的相互作用力恒定，該恒定 的作用力使光電傳感器（3)檢測的電壓值等于上述參考值； 所述的步驟2)確定原子力聲學顯微鏡的探針接觸諧振頻率的方法為： 通過探針超聲換能器給原子力聲學顯微鏡的探針（2)施加單頻方波激勵信號，激勵探 針（2)振蕩；光電傳感器（3)檢測探針（2)對該方波激勵的響應，并將該響應電壓信號輸入 到主控制器（10);主控制器（10)進行快速傅立葉變換，確定振幅最大值時對應的諧振頻率 信息，該諧振頻率即為原子力聲學顯微鏡的探針接觸諧振頻率； 所述的步驟4)分離和提取圖像信號的方法為： 將步驟2)確定的探針接觸諧振頻率作為參考信號輸入鎖相放大器（11)，同時將光電 傳感器（3)檢測的探針偏轉信號作為鎖相放大器（11)的輸入信號；在原子力聲學顯微鏡的 探針（2)掃描初始接觸點時，調整鎖相放大器（11)的相位，使鎖相放大器（11)的輸出值最 大；在原子力聲學顯微鏡繼續掃描探針（2)與樣本（4)的其余接觸點時，保持鎖相放大器 (11)的相位值不變，鎖相放大器（11)即為樣本（4)的次表面結構聲成像信號，通過圖像顯 示器（12)顯示成次表面結構圖像。
【文檔編號】G01Q60/24GK104155477SQ201410397783
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月13日 優先權日:2014年8月13日
【發明者】陳代謝, 殷伯華, 韓立, 劉俊標, 林云生, 初明璋 申請人:中國科學院電工研究所