提高液体中AFM微悬臂梁品质因数的研究

维普资讯 http://www.cqvip.com 第２４卷第１期　西　安　工　业　学　院　学　报　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＸＩ’ＡＮ　ＩＮ　Ｉ　ＩＴＵＴＥ　ＯＦ　ＴＥＣＨＮ０Ｕ　Ｙ　Ｖｏ１．２４　Ｎｏ．１　Ｍａｒ．２０ｏ４　２００４年３月　文章编号：１０００—５７１４一（２００４）Ｏ１—０００５—０３　提高液体中ＡＦＭ微悬臂梁品质因数的研究　房轩，李艳宁，王艳霞，唐洁，傅星，胡小唐　（天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津３０００７２）　摘要：提出了一种能够把在液体环境中工作的原子力显微镜（Ａｔｏｍｉｃ　Ｆｏｍｅ　Ｍｉｃｒｃｅｃｏｐｙ）的微悬臂梁的低　品质因数提高二个数量级的方法．这是通过一个正反馈环路实现的，同时采用一个锁相环（Ｐｈａｓｅ　Ｌｏｃｋ　Ｌｏｏｐ）　来监控微悬臂梁谐振频率并产生一个驱动信号使用可变移相器和可变增益放大器对微悬臂梁振荡信号进　行调节，调节后的信号也加入到驱动信号中，从而提高了原子力显微镜的动态力灵敏度和分辨力．　关键词：　原子力显微镜；微悬臂梁；品质因数；表面形貌　中图号：ＴＮ１６　文献标识码：Ａ　Ａｍｐｌｉｆｙｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｆａｃｔｏｒ　ｏｆ　ＡＦＭ　ｍｉｃｒｏｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｓ　ｉｎ　ｌｉｑｕｉｄ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ＦＡＮＧ　Ｘｕａｎ，Ｌ１　Ｙａｈ—ｎｉｎｇ，ＷＡＮＧ　Ｙａｎ　ｉａ，ＴＡＮＧＪｉｅ，Ｆ（，，Ｘｉｎｇ。ＨＵＸｉａ￣ｔａｎｇ　（Ｓｔａｔｅ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎ（）ｌ￣）ｇｙ　ａｎｄ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，Ｔｉａｎｊｉｎ　Ｕｎｉｖ，Ｔｉａｎｊｉｎ　３０００７２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：　Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ａｒｔｉｃｌｅ。ａ　ｎｅｗ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｉｓ　ｐｒｍｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅｓ　ｔｈｅ　ｌｏｗ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｆａｃｔｏｒ　ｏｆ　ｍｉｃｒｏｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｓ　ｏｆ　ａｎ　Ａｔｏｍｉｃ　Ｆｏｒｃｅ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ（ＡＦＭ）ｉｎ　ｌｉｑｕｉｄ　ｅｎｖｉｒｏｒｕｎｅｎｔ　ｕｐ　ｔｏ　ｔｈｒｅｅ　ｏｒｄｅｒｓ　ｏｆ　ｍａｇｎｉｔｕｄｅ．Ｔｈｉｓ　ｉｓ　ａｃｈｉｅｖｅｄ　ｖｉａ　ａ　ｐｏｓｉｔｉｖｅ　ｆｅｅｄｂａｃｋ　Ｉｍｐ．Ａｔ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｔｉｍｅ　ａ　Ｐｈａｓｅ　Ｌｏｃｋ　Ｌｏｏｐ（ＰＬＬ）ｔｏ　ｔｒａｃｋ　ｔｈｅ　ｒｅｓｏｎａｎｃｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｉｃｒ￣．．ａｎｔｉｌｅｖｅｒ　ｉｓ　ａｐｐｌｉｅｄ，ｔｈｅ　ＰＬＬ　ｐｒｏ—　ｄｕｃｅｓ　ａ　ｄｒｉｖｉｎｇ　ｓｉｇｎａ１．Ａ　ｖａｒｉａｂｌｅ　ｐｈａｓｅ　ｓｈｉｆｔｅｒ　ａｎｄ　ａ　ｖａｒｉａｂｌｅ　ｇａｉｎ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ　ａｒｅ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｔｈｅ　ｍｉｃｒｏｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ　ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ　ｓｉｇ—　ｎａｌ。ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ　ｓｉｇｎａｌ　ｉｓ　ａｄｄｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｄｒｉｖｉｎｇ　ｄｉｇｎａ１．　Ｆｈｅｒｅｆｏｒｅ　ｔｈｅ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｆｏｒｃｅ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ａ　ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ　ＡＦＭ　ａｒｅ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ．　Ｋｅｙ　Ｗｏｒｄｓ：　ａｔｏｍｉｃ　ｆｏｒｃｅ　ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ；ｍｉｃｒｏｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ；ｑｕａｌｉｔｙ　ｆａｃｔｏｒ；ｓｕｒｆａｃｅ　ｔｏｔｘＮｒａｐｈｙ　引言　自从１９８６年原子力显微镜（Ａｔｏｍｉｃ　Ｆｏｒｃｅ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ，ＡＦＭ）出现以来¨Ｊ，其应用日益广泛．最初，　ＡＦＭ是在接触模式下工作的，在这种模式下，一个原子级的针尖在样品表面移动，表面形貌的变化引起微　悬臂梁的偏转，从而引起投射到微悬臂梁的激光束的反射光的变化，对激光束进行跟踪，就能得到样品的　表面形貌．然而这种方法会在样品表面产生比较高的侧向力，引起样品的损伤，从而影响成像质量．同时，　针尖与样品表面接触的时候，会出现毛细力，在这种大而且不易控制的毛细力的作用下，样品很容易出现　损伤．为了克服这个缺点，成像时可以把探针针尖和样品置于液体介质中，从而减小样品损伤．随着ＡＦＭ　轻敲模式的出现，样品损伤的问题得到解决，在轻敲模式下，微悬臂梁被激励以谐振频率在样品上方振荡，　在每个振荡周期，探针针尖和样品只是有一个很短暂的接触，从而消除了侧向力．轻敲模式是通过监控微　悬臂梁振荡的振幅来对针尖与样品之间的距离进行控制．　收稿日期：２００３—０９　０９　基金资助：国家自然科学基金（５０３０５０２５）　作者简介：房轩（１９７４～），男（汉族），硕士，助理工程师，从事原子力显微镜品质因数的研究　维普资讯 http://www.cqvip.com ６　西安工业学院学报　第２４卷　轻敲模式可以用于许多不同环境，比如超高真空、空气　以及液体环境［引．虽然在不同的环境里ＡＦＭ　的工作原理相同，但是微悬臂梁的谐振特性不同．谐振的品质因数由下式决定：　Ｑ＝ｍ￣ｏ０／７　（１）　式中：６００为谐振频率；，，ｚ是有效质量；ｙ是微悬臂梁的阻尼因子．　在不同的环境中，品质因数变化很大，在真空中可以达到１０　０００甚至更高，在空气中可以达到１００，而　在液体环境中，品质因数仅仅到１．在超高真空中的高品质因数增加了微悬臂梁的稳定时间，而液体环境　中的低品质因数将严重制约微悬臂梁的力灵敏度．不考虑实际上已经消除的侧向力，探针的垂直接触力在　１　ｎＮ数量级．为了得到高精度的图像，需要１００　ｐＮ以下的接触力．　这里提出一个通过正反馈使液体中微悬臂梁的有效品质因数提高二个数量级的方法．这个方法有效　地增加了动态力显微镜和力谱的分辨率和灵敏度，使得接触力达到皮牛顿级．除了主动的品质因数控制，　还使用锁相环（Ｐｈａｓｅ　Ｌｏｃｋ　Ｌｏｏｐ，ＰＬＬ）阵列对微悬臂梁的谐振频率进行跟踪．　１品质因数控制技术　实验装置见图１，采用ＤＩ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）公司的Ｎａｎｏｓｃｏｐｅ　ＩＩＩａ型ＡＦＭ进行这个实验．实验装　置由两部分组成：①用于增加有效品质因数的正反馈环路；②用于监控微悬臂梁谐振频率的锁相环　（ＰＬＬ）．ＰＬＬ采用ＣＤ４０４６芯片产生一个Ｆ１＝Ｆ０ｅ　形式的驱动信号，并监控微悬臂梁响应．为了和驱动　信号保持９０。的相位差，即保持谐振，需要对驱动频率进行调节．　正反馈环监控微悬臂梁的响应，这个响应也被由光电管和过滤噪声的锁相放大器构成的传感器检测．　利用ＡＤ８０４１设计一个模拟可调移相器将微悬臂梁振荡信号（ｚ＝Ａｅ““一　）移动９０。，并利用一片　ＡＤ６０３设计一个可调增益放大器使振荡信号有一个增益Ｇ的放大　ＡＦＭ测头　厂＿＝＝＿＝＝＿　　Ｉ！　ｌ　ｌ　：竺：：厂　反馈环路　口　ｌ　增　器ｌ一　图１品质因数控制的电路图　Ｆｉｇ．１　Ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　Ｑ－ｃｏｎｔｒａｌ　ｃｉｒｃｕｉｔ　图２司调移相器　Ｆｉｇ．２　Ｖａｒｉａｂｌｅ　ｐｈａｓｅ　ｓｈｉｆｔｅｒ　处理过的信号被加入到微悬臂梁的驱动信号中，也就是说，微悬臂梁的驱动力有两种，一种是标准驱　动力Ｆｌ＝Ｆ０ｅ　，另一种是随微悬臂梁运动而变的力Ｆ２＝ＧＡｅ　‘“一　．因此，可以使用由力（Ｆｌ＋Ｆ２）　驱动的阻尼谐振器的运动方程来说明微悬臂梁的运动，　，，ｚ　譬＋ｙ　ｄｚ＋ｋｚ＝Ｆｏｅ　＋Ｇｅ　／２ｚ　Ｃｌｔ—　ｕｚ　（２）　式中：　ｚ　为微悬臂梁的有效质量；ｙ为系统的阻尼因子，这个阻尼因子与微悬臂梁和环境之间的流体动　力阻尼以及微悬臂梁内部摩擦力有关；ｋ为弹性常数，它和谐振频率有关（ｋ＝ｍ　∞０　）．驱动力Ｆ２与微悬　臂梁的速度是成比例的，根据速度表达式：　ｄ　／ｄｔ＝　４ｅ　（“ｆ）＝（　ｅｉｎ／２　（３）　维普资讯 http://www.cqvip.com 第１期　房轩等：提高液体中ＡＦＭ微悬臂梁品质因数的研究　７　可以得出Ｆ２＝（Ｇ／　）ｄｚ／ｄｔ，因此，式（２）可以写成：　ｄ２ｚ＋　ｆ崇＋是。＝Ｆ０ｅ　“　（４）　。／ｙ　ｆｆ，只要改变品质　式中：ｙ　ｆｆ＝ｙ一　，ｙ　ｆｆ是由主动反馈控制引起的有效阻尼．根据关系式Ｑ　ｆｆ＝　因数的值就可以调节有效阻尼的大小．　苎！鱼！　ＩＰＬ　：３　生　ＳｌＧｌＮ　ＶＤＤ　！　ｌ　！　ＶＣＯＯＵ　ｒ　Ｉ　，　ｌ　３　ＣＯＭｌＮ　ＬＯＣＫＥＤ　ＶＣＯＯＵＴ　ＰＨＯｌ　１　Ｉ　ＰＬＤ１　一＿『ｌ　　ｌ　ｌ　２卜＿］　ＣＩｌ　ＰＨＯ２　Ｃｌ２　１　１　Ｒｌ　ＶＣＯｌＮ　Ｒ２　ｌＮＨ　１ｌ　ＰＬＲ　ＤＥＭＯ　１０　上　ＬｒＪ　ｃ　ＶＳＳ　Ｚ　旦　＿Ｌ－　图３可调增益放大器　Ｆｉｇ．３　Ｖａｒｉａｂｌｅ　ｇａｉｎ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ　．　图４锁相环电路　Ｆｉｇ．４　Ｐｈａｓｅ　ｌｏｃｋ　ｌｏｏｐ　２实验　本实验在ＤＩ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）公司的Ⅲａ型ＡＦＭ的液体池进行，使用机械波激励微悬臂梁［３，４］　这是通过一个压电驱动器进行的．采用了氮化硅微悬臂　梁，所采用的微悬臂梁的标称弹性常数是０．３７　Ｎ／ｍ，长　度是１００　，臂宽约１０　，臂厚约０．６　．Ｓｉ３Ｎ４的密　度和杨氏模量分别是３．４４　ｇ／ｃｍ３和９６　ＧＰａ．　如图５所示，曲线ａ是ＡＦＭ在空气中的微悬臂梁　的谐振，谐振频率大约是６０　ｋＨｚ，品质因数大约是８５．　当微悬臂梁在水溶液中时（曲线ｂ），可以观察到，谐振　频率移动到较低的频率上，大约是１８　ｋＨｚ，这是由于在　０　▲　主　／／＼　振荡期间随着微悬臂梁拖拽周围的液体，它的有效质　量增加了；同时由于微悬臂梁和液体环境之间的流体　动力阻尼的影响，品质因数很快地减少到１．使用本文　的品质因数控制技术得到一个大约７００的品质因数　（曲线ｃ）．这个值比液体中微悬臂梁的品质因数高出了　两个数量级，比空气中的品质因数高出了一个数量级．　图５微悬臂梁的频谱　Ｆｉｇ．５　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｓｐｅｃｔｒｕｍｏｆ　ａｍｉｃｒｏｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ　（下转２２页）　维普资讯 http://www.cqvip.com 西安工业学院学报　第２４卷　关　图４抗“蚊虫”干扰滤波电路　Ｆｉｇ．４　Ｔｈｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｏｆ　ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｔｉａｌ　ｉｎｓｅｃｔ　３结论　把设计的抗干扰滤波电路用于光幕靶信号处理电路中，对光幕靶进行实弹射击，电路能够滤除冲击波　信号和蚊虫信号的干扰：即经过电路的计数滤波能够将冲击波和“蚊虫”产生的信号有效滤除，而使弹丸信　号通过．本文设计的滤波电路适用于原有光幕靶的改进和新型光幕靶的抗干扰信号处理．　参考文献：　［１］倪晋平，王铁岭．高稳定性光幕靶的研制［Ｊ］．西安工业学院学报，１９９７，１７（１）：４１　［２］赵冬娥，潘广珍，王高等．大面积激光光幕靶有效区的建模分析及优化［Ｊ］．华北学院学报，２０００，２１（４）：２８３　［３］赵庆海，王铁岭．光幕靶精度分析［Ａ］．中国兵工学会第六届测试技术学术年会论文集（一）．烟台：兵器工业出版社，　１９９２：６２１　［４］宋玉贵，王铁岭．天幕靶抗蚊虫干扰数字滤波电路设计［Ｊ］．西安工业学院学报，１９９８，１８（２）：１３０　［５］倪晋平，姜寿山．一种用于飞行弹丸测试的双靶触发系统［Ｊ］．西安工业学院学报，２００２，２２（１）：１　［６］倪晋平，李晋慧，王铁岭等．智能化多功能测时仪研制［Ｊ］．西安工业学院学报，２０００，２０（３）：１８２　［７］郝晓剑，王高，杜慧杰等．分离型激光启动靶光电探测系统的设计［Ｊ］．华北工学院学报，２００２，２３（３）：１１８　（上接７页）　３结论　对于在液体环境中工作的原子力显微镜，提出了一种利用正反馈增加有效品质因数的方法，提高了原　子力显微镜的动态力灵敏度和分辨力．　参考文献：　［１］Ｂｉｎｎｉｎｇ　Ｇ，Ｑｕａｔｅ　Ｃ　Ｆ．Ａｔｏｍｉｃ　ｆｏｒｃｅ　ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ［Ｊ］．Ｐｈｙｓ　ｒｅｖ　ｌｅｔｔ，１９８６，５６：９３０　［２］Ｍａｔｉｎ　Ｙ，Ｗｉｌｌｉａｍｓ　Ｃ　Ｃ，Ｗｉｃｋｒａｍａｓｉｎｇｈｅ　Ｈ　Ｋ，ｅｔ　ａ１．Ａｔｏｍｉｃ　ｆｏｒｃｅ　ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ－ｆｏｒｃｅ　ｍａｐｐｉｎｇ　ａｎｄ　ｐｒｏｆｉｌｉｇ　ｎｏｎ　ａ　ｓｕｂ　１００·Ａ　ｓｃａｌｅ［Ｊ］．Ｊ　Ａｐｐｌ　Ｐｈｙ，１９８７，６１：４７２３　［３］Ｈａｎｓｒｎａ　Ｐ　Ｋ，Ｃｌｅｖｅｌａｎｄ　Ｊ　Ｐ，Ｒａｄｍａｃｈｅｒ　Ｍ，ｅｔ　ａ１．Ｔａｐｐｉｎｇ　ｍｏｄｅ　ａｔｏｍｉｃ　ｆｏｒｃｅ　ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ　ｉｎ　ｌｉｑｕｉｄｓ［Ｊ］．Ａｐｐｌ　ｐｈｙｓ　ｌｅｔｔ，　１９９４，６４：１７８３　［４］Ｐｕｔｍａｎ　Ｃ　Ａ，Ｖａｎｄｅｒ　Ｗｅｒｆ　Ｋ　Ｏ，Ｄｅ　Ｇｒｏｏｔｈ　Ｂ　Ｇ，ｅｔ　ａ１．Ｔａｐｐｉｎｇ　ｍｏｄｅｔｏｍｉｃ　ｆｏｒｃｅ　ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ　ｉｎ　ｌｉｑｕｉｄ［Ｊ］．Ａｐｐｌ　ｐｈｙｓ　ｌｅｔｔ，　２０００．６４：２４５４