微纳米尺度动态耦合振动的单点跟踪测量方法
【专利摘要】一种微纳米尺度动态耦合振动的单点跟踪测量方法。首先使AFM探针在未接触平板扫描器表面的情况下，驱动压电扫描器带动探针以一定频率和幅值进行X方向往复扫描运动，实时记录探针Z方向偏转以获得压电扫描器Z方向振动模态；然后通过自动进针及扫描器微调使探针与平板扫描器表面接触，再控制平板扫描器在X方向与探针同步运动，记录探针Z方向偏转以获得压电扫描器与平板扫描器同步运动振动模态；最后将记录的同步运动振动模态和压电扫描器振动模态相减，即可得平板扫描器某一位置点X方向运动引起的Z方向耦合振动模态。
【专利说明】微纳米尺度动态耦合振动的单点跟踪测量方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于快速大范围原子力显微镜的微纳米尺度动态耦合振动高分辨单点跟踪测量方法。
【背景技术】
[0002]原子力显微镜(Atomic Force Microscope, AFM)快速扫描技术是近年来迅速发展的热门石开究方向(T.Ando, “High-speed atomic force microscopy coming of age”，Nanotechnology, 2012, 23:06200-062028.)。扫描速率的提高不仅能减少扫描时间，提高运行效率，更重要的是能弥补普通AFM由于扫描速率慢(I秒/帧)，不能实时观测生物样本动态变化的不足。通过在AFM快速扫描技术的基础上进一步扩大扫描范围，能实现对如活细胞、新鲜组织等具有相对繁杂结构、几何尺度跨度大、生命活动变化快速等特点的大尺度生物样本进行测量分析。
[0003]基于柔性铰链结构的平板式微位移扫描器(简称平板扫描器)(于靖军，裴旭，毕树生，宗光华，张宪民.柔性铰链机构设计方法的研究进展.机械工程学报，46，13，2-13，(2010).)，由于具有无机械摩擦、无间隙、纳米级位移分辨力、运动灵敏度高、运动范围大及加工简单等优点，逐渐代替AFM中常用的传统压电陶瓷管式扫描器，且对于具有特殊用途的剪应力压电陶瓷式扫描器(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) ?)和音叉式扫描器(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围扫描能`力的AFM —般米用双扫描器结构,扫描器一米用传统扫描管式(X、Y、Z方向)或扫描堆式(Z方向)压电扫描器，主要带动探针进行扫描运动，用于实现快速扫描；扫描器二则采用平板扫描器(X、Y、Z方向)，主要带动样品进行扫描运动，用于实现大范围扫描。
[0004]然而最新的研究成果表明，平板扫描器在快速往复扫描运动过程中，由于轴间动态耦合振动导致的针尖与样品作用力不均及引起的图像畸变仍是个急需解决的问题(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))。平板扫描器的轴间动态耦合振动幅值处在微纳米量级，除了通过有限元仿真计算其振动模态外，一般采用电容传感器(黄向东，刘立丰，谭久彬，马标.调幅式电容位移传感器的峰值检波电路设计.光学精密工程，20，11,2444-2449, (2012).)或激光测振仪(中国专利201310257681.5,中国专利201310252759.4)测量其真实的振动模态。然而电容传感器实际测量的是平面振动，且响应带宽较低(小于100kHz);激光测振仪受聚焦光斑大小影响，平面点分辨力一般在微米量级，且对于动态耦合振动过程，如平板扫描器X轴方向快速运动引起Z轴方向耦合振荡，测振仪本体在测量Z轴方向耦合振动时，难以同步跟踪X轴方向的运动，也就是说，激光测振仪实际测量的并不是单点在Z方向的耦合振动状态。
[0005]原子力显微镜AFM微悬臂梁探针具有纳米级三维分辨力且谐振频率高达IOOkHz以上，AFM除了用于样品表面形貌三维表征外，也可用于振动测量，如徐临燕等(徐临燕，栗大超，刘瑞鹏等，基于轻敲模式AFM的纳米振动表征方法.压电与声光，32，4，677-681，2010.)利用AFM在轻敲模式下实现了 Z方向IMHz频率纳米级微振动测量，其给样品Z方向施加IMHz高频激励，通过测量探针的振幅和相位得到样品Z方向振动模态。目前AFM测振方法只针对单轴方向测振(如Z轴方向)，对于多轴动态耦合(如X轴方向运动引起的Z轴方向振动)状态下的单点动态跟踪测量则未见报道。
[0006]对于同时具有扫描管式压电扫描器和平板扫描器双扫描器结构的快速大范围原子力显微镜AFM系统而言，可以轻易实现挂载探针的压电扫描器和平板扫描器同步运动，从而保持探针与平板扫描器在水平面方向相对位置不变，高分辨地进行单点Z轴方向动态耦合振动测量。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是克服现有技术不能同步单点跟踪测量扫描器轴间耦合微位移振荡的缺点，提出一种微纳米尺度动态耦合振动高分辨单点跟踪测量方法。
[0008]本发明测量方法基于快速大范围原子力显微镜，通过高分辨同步跟踪平板扫描器X轴方向单点动态运动过程，测量Z轴方向的微纳米尺度耦合振动。
[0009]本发明方法的具体步骤为:
[0010]1)确定原子力显微镜压电扫描器Z方向振动模态；
[0011]2)设置原子力显微镜自动进针过程及探针初始状态；
[0012]3)确定压电扫描器与平板扫描器同步运动振动模态；
[0013]4)确定平板扫描器Z轴方向稱合振动模态。
[0014]所述原子力显微镜为快速大范围原子力显微镜，所述的原子力显微镜包括光电传感器(PSD)，激光光源，探针，步进电机，压电扫描器，控制器和平板扫描器。
[0015]所述振动模态为在某一外部激励下被激励物体在某一时刻的位移值。
[0016]所述步骤1)确定原子力显微镜压电扫描器Z方向振动模态的方法为:
[0017]原子力显微镜控制器控制压电扫描器带动探针在未接触平板扫描器表面情况下，以一定频率fx和幅值Sx进行X方向往复扫描运动，通过光电传感器感应从探针背面反射回来的激光束来测量探针的Z方向偏转情况,从而获得压电扫描器Z方向振动模态为S'(T) =A'sin(φt+ φ')式中t为时间，A'为探针Z方向的偏转振幅，ω为探针Z方向的角
速度，<为探针Z方向的初始相位角。
[0018]所述步骤2)设置AFM自动进针过程及探针初始状态的方法为:
[0019]通过步进电机带动探针向平板扫描器表面逼近，当光电传感器检测到从探针背面反射过来的光斑信号发生偏转时，停止步进电机，原子力显微镜的自动进针过程完成。为防止探针测振过程中与平板扫描器表面脱离导致的探针自激振荡影响，通过调整压电扫描器Z方向伸长量，使探针始终接触平板扫描器表面。[0020]所述步骤3)确定压电扫描器与平板扫描器同步运动振动模态方法为:
[0021]分别控制压电扫描器带动探针和平板扫描器在X轴方向以频率fx和幅值Sx同步往复扫描运动，保持探针与平板扫描器在X轴方向相对位置固定为Xi，通过光电传感器感应从探针背面反射回来的激光束来测量探针的Z方向偏转情况，测出压电扫描器与平板扫描器同步运动振动模态为\"(/) =.4?sin(^/ + ^) + ^sin(^ + ^)，式中A平板扫描器的Z方向耦合振动引起探针的Z方向偏转振幅，W为平板扫描器的Z方向耦合振动引起探针的Z方向偏转的初始相位角。
[0022]所述步骤4)确定平板扫描器Z轴方向耦合振动模态的方法为:
[0023]将压电扫描器与平板扫描器同步运动振动模态S'，(t)与压电扫描器振动模态S/ (t)相减，即可确定平板扫描器Z轴方向耦合振动模态s(t) = s' ' (t)-s' (t)。
[0024]本发明原理是:在原子力显微镜探针未与平板扫描器表面接触的情况下，通过控制压电扫描器带动探针进行X轴方向的往复扫描运动,确定压电扫描器Z轴方向振动模态，待探针与平板扫描器表面接触后，控制压电扫描器带动探针与平板扫描器在X轴方向同步扫描运动，将测得的压电扫描器和平板扫描器同步振动模态与压电扫描器振动模态相减，即可得出平板扫描器某一位置点因X方向运动引起的Z轴方向耦合振动模态。
[0025]本发明具有如下优点:
[0026]本发明利用AFM探针具有横向和纵向纳米级闻分辨力及闻谐振频率等特点，可以对具有微纳米尺度动态耦合振动现象的微位移致动器，如平板扫描器等，实现耦合振动的高分辨单点跟踪测量。这种测量方法具有灵活、简单、精度高等优点。测量出的耦合振动模态可以用于消除平板扫描器快速扫描过程中引起的图像畸变，进一步提高快速大范围原子力显微镜的成像精度。该测量方法对于精密仪器的振动测量，尤其是轴间耦合振动测量，具有十分重要的应用价值。`
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1为快速大范围AFM压电扫描器振动模态测量示意图；
[0028]图2为压电扫描器带动探针同步检测平板扫描器Z方向耦合振动模态示意图；
[0029]图中:1光电传感器(PSD)，2激光光源，3AFM探针，4步进电机，5压电扫描器，6控制器，7平板扫描器。
【具体实施方式】
[0030]以下结合附图和【具体实施方式】进一步说明本发明。
[0031]本发明方法的步骤如下:
[0032]I)确定AFM压电扫描器Z方向振动模态:
[0033]如图1所示，在探针3未接触平板扫描器7表面情况下，原子力显微镜控制器6控制压电扫描器5带动探针3以IOOHz频率进行X方向IOOum往复扫描运动，光电传感器I感应从探针3背面反射过来的发射自激光光源2的激光束，通过测量探针3的Z方向偏转情况获得压电扫描器5的Z方向振动模态为S' (t) = 0.027sin(200 n t_2.750)um。
[0034]2 )设置AFM自动进针过程及探针初始状态:
[0035]步进电机4以0.5um/s速度带动探针3向平板扫描器7表面逼近，当光电传感器I检测到从探针3背面反射过来的光斑信号偏转超过IOOmv时，停止步进电机4，原子力显微镜自动进针过程完成。为防止探针3测振过程中与平板扫描器7表面脱离导致的探针3自激振荡影响，通过调整压电扫描器5的Z方向伸长量，使光电传感器I偏转电压达到400mv左右，保证探针3始终接触平板扫描器7表面。
[0036]3)确定压电扫描器与平板扫描器同步运动振动模态:
[0037]如图2所示，控制器6分别控制压电扫描器5带动探针3和平板扫描器7在X轴方向以IOOHz频率和IOOum幅值同步往复扫描运动，保持探针3和平板扫描器7在X轴方向相对位置固定于点Xi，通过光电传感器I测量探针3的Z方向偏转情况，测出压电扫描器5与平板扫描器7在X方向同步运动的Z方向振动模态为:
[0038]S' ' (t)=0.027sin(200 t-2.750)+0.018sin(200 t-2.930)um ;
[0039]4)确定平板扫描器Z轴方向稱合振动模态:
[0040]将压电扫描器5与平板扫描器7同步运动振动模态⑴与压电扫描器5振动模
态相减，即可确定平板扫描器7的Z轴方向耦合振动模态:
[0041]S (t) = 0.018sin(200 Ji t_2.930)um。
【权利要求】
1.一种微纳米尺度动态耦合振动的单点跟踪测量方法，其特征在于，所述的测量方法基于原子力显微镜，通过同步跟踪平板扫描器X轴方向单点动态运动过程，测量Z轴方向的微纳米尺度耦合振动；所述方法的具体步骤为: 1)确定原子力显微镜压电扫描器Z方向振动模态； 2)设置原子力显微镜自动进针过程及探针初始状态； 3)确定压电扫描器与平板扫描器同步运动振动模态； 4)确定平板扫描器Z轴方向稱合振动模态； 所述步骤I)确定原子力显微镜压电扫描器Z方向振动模态的方法为: 原子力显微镜控制器(6)控制压电扫描器(5)带动探针(3)在未接触平板扫描器(7)的表面时，以频率fx和幅值Sx进行X方向往复扫描运动，通过光电传感器(I)感应从探针(3)背面反射回来的发射自激光光源(2)的激光束来测量探针(3)的Z方向偏转情况，从而获得压电扫描器(5) Z方向振动模态为S'⑴= ZsinM +灼，式中:t为时间，A'为探针(3)Z方向的偏转振幅，《为探针(3) Z方向偏转的角速度，V为探针(3) Z方向偏转的初始相位角； 所述步骤2)设置AFM自动进针过程及探针初始状态的方法为: 步进电机(4)带动探针(3)向平板扫描器(7)的表面逼近，当光电传感器(I)检测到从探针(3)背面反射过来的光斑信号发生偏转超过IOOmv时，停止步进电机(4)，原子力显微镜的自动进针过程完成；为防止由于探针(3)在测振过程中与平板扫描器表面脱离导致的探针自激振荡影响，通过调整压电扫描器(5)的Z方向伸长量，使光电传感器(I)偏转电压达到400mv，使探针始终接触平板扫描器表面； 所述步骤3)确定压电扫描器与平板扫描器同步运动振动模态方法为: 控制器(6)分别控制压电扫描器(5)带动探针(3)和平板扫描器(7)在X轴方向以频率fx和幅值Sx同步往复扫描运动，保持探针(3)与平板扫描器(7)在X轴方向相对位置固定于点Xi，通过光电传感器(I)检测探针(3)的Z方向偏转情况，测出压电扫描器(5)与平板扫描器(7)同步运动振动模态为=+ + A^m{(ot +的，式中:A为平板扫描器(7)的Z方向耦合振动引起探针(3)的Z方向偏转振幅，W为平板扫描器(7)的Z方向耦合振动引起探针(3)的Z方向偏转的初始相位角； 所述步骤4)确定平板扫描器(7) Z轴方向耦合振动模态的方法为: 将压电扫描器与平板扫描器同步运动振动模态S' ' (t)与压电扫描器振动模态S' (t)相减，即得到平板扫描器Z轴方向耦合振动模态S(t) = S' ' (t)-S' (t)。
2.按照权利要求1所述的微纳米尺度动态耦合振动的单点跟踪测量方法，其特征在于，所述的步骤2)中，所述的压电扫描器(5)的Z方向振动模态为S' (t)=`0.027sin (200 nt_2.750)um ； 所述的步骤4)中，压电扫描器(5)与平板扫描器(7)在X方向同步运动的Z方向振动模态为:
S' ' (t)=0.027sin(200 t-2.750)+0.018sin(200 t-2.930)um ; 所述的步骤5)中，平板扫描器(7)的Z轴方向耦合振动模态为:
S (t) = 0.018sin (200 t_2.930) um。
【文档编号】G01Q60/24GK103645347SQ201310642439
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年12月3日 优先权日:2013年12月3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