微納米尺度動(dòng)態(tài)耦合振動(dòng)的單點(diǎn)跟蹤測(cè)量方法
【專利摘要】一種微納米尺度動(dòng)態(tài)耦合振動(dòng)的單點(diǎn)跟蹤測(cè)量方法。首先使AFM探針在未接觸平板掃描器表面的情況下，驅(qū)動(dòng)壓電掃描器帶動(dòng)探針以一定頻率和幅值進(jìn)行X方向往復(fù)掃描運(yùn)動(dòng)，實(shí)時(shí)記錄探針Z方向偏轉(zhuǎn)以獲得壓電掃描器Z方向振動(dòng)模態(tài)；然后通過(guò)自動(dòng)進(jìn)針及掃描器微調(diào)使探針與平板掃描器表面接觸，再控制平板掃描器在X方向與探針同步運(yùn)動(dòng)，記錄探針Z方向偏轉(zhuǎn)以獲得壓電掃描器與平板掃描器同步運(yùn)動(dòng)振動(dòng)模態(tài)；最后將記錄的同步運(yùn)動(dòng)振動(dòng)模態(tài)和壓電掃描器振動(dòng)模態(tài)相減，即可得平板掃描器某一位置點(diǎn)X方向運(yùn)動(dòng)引起的Z方向耦合振動(dòng)模態(tài)。
【專利說(shuō)明】微納米尺度動(dòng)態(tài)耦合振動(dòng)的單點(diǎn)跟蹤測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于快速大范圍原子力顯微鏡的微納米尺度動(dòng)態(tài)耦合振動(dòng)高分辨單點(diǎn)跟蹤測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope, AFM)快速掃描技術(shù)是近年來(lái)迅速發(fā)展的熱門石開究方向(T.Ando, “High-speed atomic force microscopy coming of age”，Nanotechnology, 2012, 23:06200-062028.)。掃描速率的提高不僅能減少掃描時(shí)間，提高運(yùn)行效率，更重要的是能彌補(bǔ)普通AFM由于掃描速率慢(I秒/幀)，不能實(shí)時(shí)觀測(cè)生物樣本動(dòng)態(tài)變化的不足。通過(guò)在AFM快速掃描技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步擴(kuò)大掃描范圍，能實(shí)現(xiàn)對(duì)如活細(xì)胞、新鮮組織等具有相對(duì)繁雜結(jié)構(gòu)、幾何尺度跨度大、生命活動(dòng)變化快速等特點(diǎn)的大尺度生物樣本進(jìn)行測(cè)量分析。
[0003]基于柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)的平板式微位移掃描器(簡(jiǎn)稱平板掃描器)(于靖軍，裴旭，畢樹生，宗光華，張憲民.柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的研究進(jìn)展.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，46，13，2-13，(2010).)，由于具有無(wú)機(jī)械摩擦、無(wú)間隙、納米級(jí)位移分辨力、運(yùn)動(dòng)靈敏度高、運(yùn)動(dòng)范圍大及加工簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，逐漸代替AFM中常用的傳統(tǒng)壓電陶瓷管式掃描器，且對(duì)于具有特殊用途的剪應(yīng)力壓電陶瓷式掃描器(M.J.Rost, L.Crama, P.Schakel, E.vanTol, etc.“Scanning probe microscopes go video rate and beyond,，，Rev.Sc1.1nstrument, 76，5，053710-1-053710-9，(2005) ?)和音叉式掃描器(L.M.Picco, L.Bozec, M.A.Horton, andM.J.Miles, “Breaking the speed limit with atomic force microscopy，”Nanotechnology, 18，4，044030-1 - 044030-4，(2007).)而言，其具有更好的通用性。目前兼具快速和大范圍掃描能`力的AFM —般米用雙掃描器結(jié)構(gòu),掃描器一米用傳統(tǒng)掃描管式(X、Y、Z方向)或掃描堆式(Z方向)壓電掃描器，主要帶動(dòng)探針進(jìn)行掃描運(yùn)動(dòng)，用于實(shí)現(xiàn)快速掃描；掃描器二則采用平板掃描器(X、Y、Z方向)，主要帶動(dòng)樣品進(jìn)行掃描運(yùn)動(dòng)，用于實(shí)現(xiàn)大范圍掃描。
[0004]然而最新的研究成果表明，平板掃描器在快速往復(fù)掃描運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，由于軸間動(dòng)態(tài)耦合振動(dòng)導(dǎo)致的針尖與樣品作用力不均及引起的圖像畸變?nèi)允莻€(gè)急需解決的問(wèn)題(Yan, Y.，Wang, H.，&Zou, Q.? A decoupled inversion-based iterative controlapproach to mult1-axis precision positioning: 3D nanopositioning example.Automatica, 48(1), 167 - 176.(2012))。平板掃描器的軸間動(dòng)態(tài)耦合振動(dòng)幅值處在微納米量級(jí)，除了通過(guò)有限元仿真計(jì)算其振動(dòng)模態(tài)外，一般采用電容傳感器(黃向東，劉立豐，譚久彬，馬標(biāo).調(diào)幅式電容位移傳感器的峰值檢波電路設(shè)計(jì).光學(xué)精密工程，20，11,2444-2449, (2012).)或激光測(cè)振儀(中國(guó)專利201310257681.5,中國(guó)專利201310252759.4)測(cè)量其真實(shí)的振動(dòng)模態(tài)。然而電容傳感器實(shí)際測(cè)量的是平面振動(dòng)，且響應(yīng)帶寬較低(小于100kHz);激光測(cè)振儀受聚焦光斑大小影響，平面點(diǎn)分辨力一般在微米量級(jí)，且對(duì)于動(dòng)態(tài)耦合振動(dòng)過(guò)程，如平板掃描器X軸方向快速運(yùn)動(dòng)引起Z軸方向耦合振蕩，測(cè)振儀本體在測(cè)量Z軸方向耦合振動(dòng)時(shí)，難以同步跟蹤X軸方向的運(yùn)動(dòng)，也就是說(shuō)，激光測(cè)振儀實(shí)際測(cè)量的并不是單點(diǎn)在Z方向的耦合振動(dòng)狀態(tài)。
[0005]原子力顯微鏡AFM微懸臂梁探針具有納米級(jí)三維分辨力且諧振頻率高達(dá)IOOkHz以上，AFM除了用于樣品表面形貌三維表征外，也可用于振動(dòng)測(cè)量，如徐臨燕等(徐臨燕，栗大超，劉瑞鵬等，基于輕敲模式AFM的納米振動(dòng)表征方法.壓電與聲光，32，4，677-681，2010.)利用AFM在輕敲模式下實(shí)現(xiàn)了 Z方向IMHz頻率納米級(jí)微振動(dòng)測(cè)量，其給樣品Z方向施加IMHz高頻激勵(lì)，通過(guò)測(cè)量探針的振幅和相位得到樣品Z方向振動(dòng)模態(tài)。目前AFM測(cè)振方法只針對(duì)單軸方向測(cè)振(如Z軸方向)，對(duì)于多軸動(dòng)態(tài)耦合(如X軸方向運(yùn)動(dòng)引起的Z軸方向振動(dòng))狀態(tài)下的單點(diǎn)動(dòng)態(tài)跟蹤測(cè)量則未見報(bào)道。
[0006]對(duì)于同時(shí)具有掃描管式壓電掃描器和平板掃描器雙掃描器結(jié)構(gòu)的快速大范圍原子力顯微鏡AFM系統(tǒng)而言，可以輕易實(shí)現(xiàn)掛載探針的壓電掃描器和平板掃描器同步運(yùn)動(dòng)，從而保持探針與平板掃描器在水平面方向相對(duì)位置不變，高分辨地進(jìn)行單點(diǎn)Z軸方向動(dòng)態(tài)耦合振動(dòng)測(cè)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)不能同步單點(diǎn)跟蹤測(cè)量掃描器軸間耦合微位移振蕩的缺點(diǎn)，提出一種微納米尺度動(dòng)態(tài)耦合振動(dòng)高分辨單點(diǎn)跟蹤測(cè)量方法。
[0008]本發(fā)明測(cè)量方法基于快速大范圍原子力顯微鏡，通過(guò)高分辨同步跟蹤平板掃描器X軸方向單點(diǎn)動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，測(cè)量Z軸方向的微納米尺度耦合振動(dòng)。
[0009]本發(fā)明方法的具體步驟為:
[0010]1)確定原子力顯微鏡壓電掃描器Z方向振動(dòng)模態(tài)；
[0011]2)設(shè)置原子力顯微鏡自動(dòng)進(jìn)針過(guò)程及探針初始狀態(tài)；
[0012]3)確定壓電掃描器與平板掃描器同步運(yùn)動(dòng)振動(dòng)模態(tài)；
[0013]4)確定平板掃描器Z軸方向稱合振動(dòng)模態(tài)。
[0014]所述原子力顯微鏡為快速大范圍原子力顯微鏡，所述的原子力顯微鏡包括光電傳感器(PSD)，激光光源，探針，步進(jìn)電機(jī)，壓電掃描器，控制器和平板掃描器。
[0015]所述振動(dòng)模態(tài)為在某一外部激勵(lì)下被激勵(lì)物體在某一時(shí)刻的位移值。
[0016]所述步驟1)確定原子力顯微鏡壓電掃描器Z方向振動(dòng)模態(tài)的方法為:
[0017]原子力顯微鏡控制器控制壓電掃描器帶動(dòng)探針在未接觸平板掃描器表面情況下，以一定頻率fx和幅值Sx進(jìn)行X方向往復(fù)掃描運(yùn)動(dòng)，通過(guò)光電傳感器感應(yīng)從探針背面反射回來(lái)的激光束來(lái)測(cè)量探針的Z方向偏轉(zhuǎn)情況,從而獲得壓電掃描器Z方向振動(dòng)模態(tài)為S'(T) =A'sin(φt+ φ')式中t為時(shí)間，A'為探針Z方向的偏轉(zhuǎn)振幅，ω為探針Z方向的角
速度，<為探針Z方向的初始相位角。
[0018]所述步驟2)設(shè)置AFM自動(dòng)進(jìn)針過(guò)程及探針初始狀態(tài)的方法為:
[0019]通過(guò)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)探針向平板掃描器表面逼近，當(dāng)光電傳感器檢測(cè)到從探針背面反射過(guò)來(lái)的光斑信號(hào)發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)，停止步進(jìn)電機(jī)，原子力顯微鏡的自動(dòng)進(jìn)針過(guò)程完成。為防止探針測(cè)振過(guò)程中與平板掃描器表面脫離導(dǎo)致的探針自激振蕩影響，通過(guò)調(diào)整壓電掃描器Z方向伸長(zhǎng)量，使探針始終接觸平板掃描器表面。[0020]所述步驟3)確定壓電掃描器與平板掃描器同步運(yùn)動(dòng)振動(dòng)模態(tài)方法為:
[0021]分別控制壓電掃描器帶動(dòng)探針和平板掃描器在X軸方向以頻率fx和幅值Sx同步往復(fù)掃描運(yùn)動(dòng)，保持探針與平板掃描器在X軸方向相對(duì)位置固定為Xi，通過(guò)光電傳感器感應(yīng)從探針背面反射回來(lái)的激光束來(lái)測(cè)量探針的Z方向偏轉(zhuǎn)情況，測(cè)出壓電掃描器與平板掃描器同步運(yùn)動(dòng)振動(dòng)模態(tài)為\"(/) =.4?sin(^/ + ^) + ^sin(^ + ^)，式中A平板掃描器的Z方向耦合振動(dòng)引起探針的Z方向偏轉(zhuǎn)振幅，W為平板掃描器的Z方向耦合振動(dòng)引起探針的Z方向偏轉(zhuǎn)的初始相位角。
[0022]所述步驟4)確定平板掃描器Z軸方向耦合振動(dòng)模態(tài)的方法為:
[0023]將壓電掃描器與平板掃描器同步運(yùn)動(dòng)振動(dòng)模態(tài)S'，(t)與壓電掃描器振動(dòng)模態(tài)S/ (t)相減，即可確定平板掃描器Z軸方向耦合振動(dòng)模態(tài)s(t) = s' ' (t)-s' (t)。
[0024]本發(fā)明原理是:在原子力顯微鏡探針未與平板掃描器表面接觸的情況下，通過(guò)控制壓電掃描器帶動(dòng)探針進(jìn)行X軸方向的往復(fù)掃描運(yùn)動(dòng),確定壓電掃描器Z軸方向振動(dòng)模態(tài)，待探針與平板掃描器表面接觸后，控制壓電掃描器帶動(dòng)探針與平板掃描器在X軸方向同步掃描運(yùn)動(dòng)，將測(cè)得的壓電掃描器和平板掃描器同步振動(dòng)模態(tài)與壓電掃描器振動(dòng)模態(tài)相減，即可得出平板掃描器某一位置點(diǎn)因X方向運(yùn)動(dòng)引起的Z軸方向耦合振動(dòng)模態(tài)。
[0025]本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0026]本發(fā)明利用AFM探針具有橫向和縱向納米級(jí)聞分辨力及聞諧振頻率等特點(diǎn)，可以對(duì)具有微納米尺度動(dòng)態(tài)耦合振動(dòng)現(xiàn)象的微位移致動(dòng)器，如平板掃描器等，實(shí)現(xiàn)耦合振動(dòng)的高分辨單點(diǎn)跟蹤測(cè)量。這種測(cè)量方法具有靈活、簡(jiǎn)單、精度高等優(yōu)點(diǎn)。測(cè)量出的耦合振動(dòng)模態(tài)可以用于消除平板掃描器快速掃描過(guò)程中引起的圖像畸變，進(jìn)一步提高快速大范圍原子力顯微鏡的成像精度。該測(cè)量方法對(duì)于精密儀器的振動(dòng)測(cè)量，尤其是軸間耦合振動(dòng)測(cè)量，具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值。`
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0027]圖1為快速大范圍AFM壓電掃描器振動(dòng)模態(tài)測(cè)量示意圖；
[0028]圖2為壓電掃描器帶動(dòng)探針同步檢測(cè)平板掃描器Z方向耦合振動(dòng)模態(tài)示意圖；
[0029]圖中:1光電傳感器(PSD)，2激光光源，3AFM探針，4步進(jìn)電機(jī)，5壓電掃描器，6控制器，7平板掃描器。
【具體實(shí)施方式】
[0030]以下結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。
[0031]本發(fā)明方法的步驟如下:
[0032]I)確定AFM壓電掃描器Z方向振動(dòng)模態(tài):
[0033]如圖1所示，在探針3未接觸平板掃描器7表面情況下，原子力顯微鏡控制器6控制壓電掃描器5帶動(dòng)探針3以IOOHz頻率進(jìn)行X方向IOOum往復(fù)掃描運(yùn)動(dòng)，光電傳感器I感應(yīng)從探針3背面反射過(guò)來(lái)的發(fā)射自激光光源2的激光束，通過(guò)測(cè)量探針3的Z方向偏轉(zhuǎn)情況獲得壓電掃描器5的Z方向振動(dòng)模態(tài)為S' (t) = 0.027sin(200 n t_2.750)um。
[0034]2 )設(shè)置AFM自動(dòng)進(jìn)針過(guò)程及探針初始狀態(tài):
[0035]步進(jìn)電機(jī)4以0.5um/s速度帶動(dòng)探針3向平板掃描器7表面逼近，當(dāng)光電傳感器I檢測(cè)到從探針3背面反射過(guò)來(lái)的光斑信號(hào)偏轉(zhuǎn)超過(guò)IOOmv時(shí)，停止步進(jìn)電機(jī)4，原子力顯微鏡自動(dòng)進(jìn)針過(guò)程完成。為防止探針3測(cè)振過(guò)程中與平板掃描器7表面脫離導(dǎo)致的探針3自激振蕩影響，通過(guò)調(diào)整壓電掃描器5的Z方向伸長(zhǎng)量，使光電傳感器I偏轉(zhuǎn)電壓達(dá)到400mv左右，保證探針3始終接觸平板掃描器7表面。
[0036]3)確定壓電掃描器與平板掃描器同步運(yùn)動(dòng)振動(dòng)模態(tài):
[0037]如圖2所示，控制器6分別控制壓電掃描器5帶動(dòng)探針3和平板掃描器7在X軸方向以IOOHz頻率和IOOum幅值同步往復(fù)掃描運(yùn)動(dòng)，保持探針3和平板掃描器7在X軸方向相對(duì)位置固定于點(diǎn)Xi，通過(guò)光電傳感器I測(cè)量探針3的Z方向偏轉(zhuǎn)情況，測(cè)出壓電掃描器5與平板掃描器7在X方向同步運(yùn)動(dòng)的Z方向振動(dòng)模態(tài)為:
[0038]S' ' (t)=0.027sin(200 t-2.750)+0.018sin(200 t-2.930)um ;
[0039]4)確定平板掃描器Z軸方向稱合振動(dòng)模態(tài):
[0040]將壓電掃描器5與平板掃描器7同步運(yùn)動(dòng)振動(dòng)模態(tài)⑴與壓電掃描器5振動(dòng)模
態(tài)相減，即可確定平板掃描器7的Z軸方向耦合振動(dòng)模態(tài):
[0041]S (t) = 0.018sin(200 Ji t_2.930)um。
【權(quán)利要求】
1.一種微納米尺度動(dòng)態(tài)耦合振動(dòng)的單點(diǎn)跟蹤測(cè)量方法，其特征在于，所述的測(cè)量方法基于原子力顯微鏡，通過(guò)同步跟蹤平板掃描器X軸方向單點(diǎn)動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，測(cè)量Z軸方向的微納米尺度耦合振動(dòng)；所述方法的具體步驟為: 1)確定原子力顯微鏡壓電掃描器Z方向振動(dòng)模態(tài)； 2)設(shè)置原子力顯微鏡自動(dòng)進(jìn)針過(guò)程及探針初始狀態(tài)； 3)確定壓電掃描器與平板掃描器同步運(yùn)動(dòng)振動(dòng)模態(tài)； 4)確定平板掃描器Z軸方向稱合振動(dòng)模態(tài)； 所述步驟I)確定原子力顯微鏡壓電掃描器Z方向振動(dòng)模態(tài)的方法為: 原子力顯微鏡控制器(6)控制壓電掃描器(5)帶動(dòng)探針(3)在未接觸平板掃描器(7)的表面時(shí)，以頻率fx和幅值Sx進(jìn)行X方向往復(fù)掃描運(yùn)動(dòng)，通過(guò)光電傳感器(I)感應(yīng)從探針(3)背面反射回來(lái)的發(fā)射自激光光源(2)的激光束來(lái)測(cè)量探針(3)的Z方向偏轉(zhuǎn)情況，從而獲得壓電掃描器(5) Z方向振動(dòng)模態(tài)為S'⑴= ZsinM +灼，式中:t為時(shí)間，A'為探針(3)Z方向的偏轉(zhuǎn)振幅，《為探針(3) Z方向偏轉(zhuǎn)的角速度，V為探針(3) Z方向偏轉(zhuǎn)的初始相位角； 所述步驟2)設(shè)置AFM自動(dòng)進(jìn)針過(guò)程及探針初始狀態(tài)的方法為: 步進(jìn)電機(jī)(4)帶動(dòng)探針(3)向平板掃描器(7)的表面逼近，當(dāng)光電傳感器(I)檢測(cè)到從探針(3)背面反射過(guò)來(lái)的光斑信號(hào)發(fā)生偏轉(zhuǎn)超過(guò)IOOmv時(shí)，停止步進(jìn)電機(jī)(4)，原子力顯微鏡的自動(dòng)進(jìn)針過(guò)程完成；為防止由于探針(3)在測(cè)振過(guò)程中與平板掃描器表面脫離導(dǎo)致的探針自激振蕩影響，通過(guò)調(diào)整壓電掃描器(5)的Z方向伸長(zhǎng)量，使光電傳感器(I)偏轉(zhuǎn)電壓達(dá)到400mv，使探針始終接觸平板掃描器表面； 所述步驟3)確定壓電掃描器與平板掃描器同步運(yùn)動(dòng)振動(dòng)模態(tài)方法為: 控制器(6)分別控制壓電掃描器(5)帶動(dòng)探針(3)和平板掃描器(7)在X軸方向以頻率fx和幅值Sx同步往復(fù)掃描運(yùn)動(dòng)，保持探針(3)與平板掃描器(7)在X軸方向相對(duì)位置固定于點(diǎn)Xi，通過(guò)光電傳感器(I)檢測(cè)探針(3)的Z方向偏轉(zhuǎn)情況，測(cè)出壓電掃描器(5)與平板掃描器(7)同步運(yùn)動(dòng)振動(dòng)模態(tài)為=+ + A^m{(ot +的，式中:A為平板掃描器(7)的Z方向耦合振動(dòng)引起探針(3)的Z方向偏轉(zhuǎn)振幅，W為平板掃描器(7)的Z方向耦合振動(dòng)引起探針(3)的Z方向偏轉(zhuǎn)的初始相位角； 所述步驟4)確定平板掃描器(7) Z軸方向耦合振動(dòng)模態(tài)的方法為: 將壓電掃描器與平板掃描器同步運(yùn)動(dòng)振動(dòng)模態(tài)S' ' (t)與壓電掃描器振動(dòng)模態(tài)S' (t)相減，即得到平板掃描器Z軸方向耦合振動(dòng)模態(tài)S(t) = S' ' (t)-S' (t)。
2.按照權(quán)利要求1所述的微納米尺度動(dòng)態(tài)耦合振動(dòng)的單點(diǎn)跟蹤測(cè)量方法，其特征在于，所述的步驟2)中，所述的壓電掃描器(5)的Z方向振動(dòng)模態(tài)為S' (t)=`0.027sin (200 nt_2.750)um ； 所述的步驟4)中，壓電掃描器(5)與平板掃描器(7)在X方向同步運(yùn)動(dòng)的Z方向振動(dòng)模態(tài)為:
S' ' (t)=0.027sin(200 t-2.750)+0.018sin(200 t-2.930)um ; 所述的步驟5)中，平板掃描器(7)的Z軸方向耦合振動(dòng)模態(tài)為:
S (t) = 0.018sin (200 t_2.930) um。
【文檔編號(hào)】G01Q60/24GK103645347SQ201310642439
【公開日】2014年3月19日 申請(qǐng)日期:2013年12月3日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月3日
【發(fā)明者】陳代謝, 殷伯華, 韓立, 劉俊標(biāo), 林云生, 初明璋 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電工研究所