气/液两用型原子力显微镜及其应用研究

发展了一种气/液两用型原子力显微镜(AFM)系统,讨论了其工作原理,给出了优化的气/液两用型探头及扫描与反馈控制电路。利用该型AFM系统分别对大气环境下的硅片以及液体环境下的刀片和多孔氧化铝样品进行了扫描检测。实验结果表明,该型AFM系统在大气和液体环境中均可扫描获得理想的AFM图像,分辨力达到纳米量级,扫描范围可达4000nm×4000nm,可满足各种微纳米扫描测量的要求。     

三角放大型压电陶瓷微纳米驱动机构

提出了一种基于小压电陶瓷条的三角放大型微纳米驱动机构。该机构由两个1.6 mm×1.6 mm×5.0 mm的小压电陶瓷条、三角对称型伸缩臂、大顶角柔性铰链（扫描端）及基座组成,由小压电陶瓷条驱动伸缩臂运动,基于大顶角三角形的放大原理,获得高放大倍率的扫描端输出位移。理论分析与有限元仿真表明,当三角对称型伸缩臂与底边的夹角为6°时,扫描端的位移量与小压电陶瓷条的伸缩量之比可达9倍左右;当驱动电压为80 V时,相比于小压电陶瓷条的伸缩量3.2μm,扫描端的位移量理论值可达29.5μm。显微运动测量实验表明,在相同驱动电压下,扫描端的实际位移量达到26.6μm,实际位移放大倍数达到8.3倍。将该机构作为原子力显微镜的慢轴扫描器,成功实现了基于小压电陶瓷条的宽范围原子力显微镜扫描成像（4μm×26μm）,具有良好的分辨率、对比度和线性度。该机构具有原理新颖、结构简洁、成本低廉、性能优越等特点,可望在光学、精密机械及微纳米技术领域获得广泛的应用。     

基于精确探针模型的AFM图像重构研究

原子力显微镜技术已在纳米成像中得到了普遍应用.但实验表明,AFM图像在水平方向分辨率较低,其中探针针尖形貌是影响扫描图像分辨率的关键因素之一.为了提高AFM扫描图像的分辨率,改善成像质量,一种可行的方法是通过建立探针模型后,重构扫描图像.在已有的探针建模方法中,普遍采用盲建模算法.针对目前盲建模算法中降噪阈值难以优化问题,提出了一种降噪阈值最优估计新方法.该方法可以使盲建模算法更准确地建立扫描方向上的探针形貌轮廓,进而完成3D探针模型.通过应用AFM探针扫描多空铝和标准栅格实验,介绍了探针针尖形貌精确建模的方法.然后使用数学形态学的腐蚀运算对标准栅格的AFM成像进行了重构,验证了上述方法的有效性.实验结果证明,重构后的图像中降低了探针针尖形貌的失真影响,可以显著改善扫描探针显微镜成像的水平分辨率.     

X轴分离式高速原子力显微镜系统设计

为了提高原子力显微镜(Atomic Force Microscope,AFM)的成像速度,本文提出了一种新的AFM结构设计方案并搭建了相应的实验系统。在该方案中,Y、Z扫描器集成于测头内驱动探针进行慢轴扫描和形貌反馈;X扫描器与测头分离,驱动样品做快轴扫描。X扫描器采用高刚性的独立一维纳米位移台,能够承载尺寸和质量较大的样品高速往复运动而不易发生共振;同时Z扫描器的载荷实现最小化,固有频率得以显著提高。为了避免测头的扫描运动引起检测光束与探针相对位置的偏差,设计了一种随动式光杠杆光路;为了便于装卸探针以及精确调整激光在探针上的反射位置,设计了基于磁力的探针固定装置和相应的光路调节方案。对所搭建的AFM系统的初步测试结果表明,该系统在采用三角波驱动和简单PID控制算法的情况下,可搭载尺寸达数厘米且质量超过10g的较大样品实现13μm×13μm范围50Hz行频的高速成像。     

基于快速原子力显微镜的正弦驱动信号设计

随着人们对微观世界的探知需求,原子力显微镜（AFM）的扫描速度与扫描范围愈发限制其在纳米级领域的应用。各种提高AFM扫描速度的手段应运而生。通过分析扫描速度过快对图像的影响以及对正弦驱动可行性的考察,利用Filed Programmable Gate Array（FPGA）为核心,结合基于PCI04控制系统的AFM的快速扫描的特点,设计正弦波驱动信号。设计中采用查表的方式以及嵌入式nios Ⅱ处理器,实现正弦信号的输出与串口通讯。从而将AFM扫描探针的驱动信号由传统的三角波变为正弦波以提高其扫描速度。     

柔性并联微夹取器的动力学分析及试验研究

针对一种具有毫米级操作空间和纳米级位移分辨率的、由直线超声电机驱动的柔性并联微夹持器,进行了动力学建模分析和实验研究。基于筷子夹取物体的操作原理,该微夹持器采用并联双层的结构形式。利用单位向量法,基于万向柔性铰链两端面始终平行的假设建立了微夹持器的运动学模型,表明了电机输入与操作末端输出之间的关系。采用ADAMS软件构建了微夹持器的刚柔耦合动力学仿真模型,由反向动力学仿真分析得到了微夹持器运行过程中几个重要的特征参数;由向前动力学仿真分析得到了操作末端,即探针尖端在给定输入函数下的位移、速度和加速度响应参数。对微夹持器的性能测试和夹取实验结果表明,该微夹持器的运行范围为2332μm×2109μm×20000μm,位移分辨率达到0.1μm,能够实现对微小物体的夹取操作。     

静电悬浮转子微陀螺微位移信号检测系统的设计

为实现对悬浮转子微陀螺转子五自由度的测量,提出了一种频分复用的微位移检测原理,主要介绍了多频率信号发生器,前置放大器,锁相放大器组成的测试系统,设计了一种基于DDS技术的多频率信号发生器和基于锁相放大原理的解调电路。实验和分析结果表明,该电路能实现多自由度微位移检测,设计的多频率信号发生器的频率分辨率能达到0．005821Hz,相位分辨率可以达到0．006rad,检测轴向灵敏度为1．34V／μm,检测径向灵敏度为0．092V／μm,测量电路的轴向位移分辨率为0．45nm,径向位移分辨率为6．6nm,转角的分辨率为0．25μrad,位移检测电路的分辨率,灵敏度和测量范围能够满足静电悬浮转子微陀螺的控制需要。     

凝视传感器中的非机械式微扫描技术

非机械扫描技术利用液晶光束控制器件能够克服典型微扫描技术在实现对光束控制时所采用的机械装置的复杂性,并与亚微扫描成像的隔行采样技术相结合,实现对成像系统分辨率的改善,介绍了非机械微扫描的原理、装置、工作模式.计算机模拟了一维和二维情况下频谱混淆的改善.     

维宏自主研发CCD视觉控制系统

上海维宏电子科技有限公司自主研发了维宏NcStudio_MVA视觉辅助系统,该系统充分利用CCD成像灵敏度高、动态性能好、分辨率高等特点,将CCD定位技术与精密切割技术成功结合,应用于如手机模板切割、玻璃镜片切割等精密切割领域,分辨率可达到1μm。     

双频激光干涉三自由度微振动测量系统

为获取光学平台多自由度微振动信息,设计了一种基于平面镜双频激光干涉的三自由度动态微振动测量系统。该系统利用激光多普勒效应,采用三个测量轴获得测量反射镜的三点位移信息,计算出测量镜平动、扭转角、俯仰角信息,实时检测三自由度的微振动情况,从而为光学系统的微振动补偿控制提供基础。对微振动测量系统进行了不确定度分析,建立了不确定度模型,为进一步提高系统精度提供理论依据,也为系统在校准和计量领域的应用奠定基础。实验过程中,采用高精度地震计对待测平台进行同步测量,与系统平动测量结果进行对比,验证了系统的测量准确性。该系统的平动分辨率可达到5nm,扭转角分辨率为5.05μrad,俯仰角分辨率为4.69μrad,具有多自由度、非接触、高分辨、可溯源的优点。     

WiFi‐controlled portable atomic force microscope

This article proposes to develop a WiFi‐controlled portable atomic force microscope (AFM). The AFM consists of a horizontal probe, controlling circuits, digital to analog (D/A) and analog to digital (A/D) interfaces, a microcomputer (Raspberry Pi, RPi), and a laptop. The proposed AFM uses a pocket‐size power supply to drive the controlling circuits, the D/A and A/D interfaces, as well as the RPi that constructs network hotspots and generates scanning signals. With special design and integration of the whole system, both of the AFM probe and electronic controlling system are portable. At a distance of 50 m from the proposed AFM, experiments in the constant height mode and the constant force mode are conducted to evaluate its performance. The results show that this WiFi‐controlled AFM has a maximum scan range of 3.6 × 3.6 μm² with nanometer order resolution. Meanwhile, it achieves satisfactory image contrast, stability, and repeatability. Compared with conventional AFMs, the AFM proposed in this paper no longer relies on commercial AC mains supply or high‐voltage DC power supply, and realizes WiFi‐controlled AFM scanning and imaging in 50 m or farther without wire or network cable connection to a laptop or a desktop computer. Given credits to these features, WiFi‐controlled AFMs are expected to own a wider range of application, especially in isolated environments, outdoor researches, or even fieldwork investigations.     

基于原子力显微镜(AFM)的微加工系统

目前原子力显微镜(AFM)已经成为纳米加工领域中一种重要的加工手段,但由于其自身扫描陶管及针尖等因素的影响,AFM的微加工能力在很大程度上受到限制。利用三维微动工作台结合原子力显微镜以及锋利的金刚石针尖组成微加工系统,通过编程获取微结构的轮廓,选择RS-232串口作为通讯方式,发送字符串命令控制工作台的运动实现预定的轨迹,从而消除了扫描陶管运动范围有限且存在漂移和滞后的影响,解决了氮化硅和单晶硅针尖加工材料范围有限的问题,提升了AFM的加工能力,并加工出较为复杂的微结构及微传感器。实验表明这是一种可行的微加工方法。     

提高单片机A/D转换分辨率的系统设计方法

单片机中内置的A/D转换器的分辨率大多数为10位分辨率,在高精度的应用中需要外扩更高分辨率的A/D转换器,这将增加系统的硬件成本。该文介绍一种利用模拟开关、集成运放和少量电阻在单片机外围构成硬件电路,利用逐次逼近的转换原理,用以将单片机A/D转换器的分辨率从10位提高到13位。     

基于冗余CAN总线的船用阀门嵌入式控制系统

分析普通船用阀门控制的特点,将嵌入式微处理器技术应用于船用阀门,与工控计算机一同构成基于冗余CAN总线的船用阀门控制系统。控制系统由上位机与基于嵌入式微处理器的船用阀门控制器组成的多个节点组成。阀门控制器具有阀门开度信号的采集、电机电流采集等功能。节点通过冗余CAN总线技术实现与上位机的通信,便于实现船用阀门系统的闭环控制。文章详细介绍了控制系统的硬件和软件设计。     

Atomic force microscope tip cleaning by using gratings as micro‐washboards

The sharpness of atomic force microscope (AFM) tips is essential for acquiring high quality AFM images. However, AFM tips would easily get contaminated during scanning and storage at ambient condition, which influences image resolution and causes image distortion. Replacing the probe frequently is a solution, but uneconomical. To solve this problem, several tip cleaning methods have been proposed but there is space for further improvement. Therefore, this article developed a method of tip cleaning by using a one‐dimensional grating (600 lines/mm) as a micro‐washboard to “wash” contaminated tips. We demonstrate that the contaminants can be scrubbed away by rapidly scanning such micro‐washboard against the tip in the aids of Z‐dithering (10–20 Hz) exerted on the washboard. This method is highly efficient and proved to be superior to traditional ones. Experiments show that AFM images acquired with “washed” tips have higher resolution and less distortion compared with images acquired using contaminated tips, even comparable to those scanned by new ones. Microsc. Res. Tech. 76:1131–1134, 2013. © 2013 Wiley Periodicals, Inc.     

Mapping of the receptor-associated protein (RAP) binding proteins on living fibroblast cells using an atomic force microscope

The distribution of the receptor-associated protein (RAP) binding protein and the adhesion forces between RAP and its binding protein on living fibroblast cells were examined using an atomic force microscope (AFM). The distribution of RAP binding protein was obtained on 256 (16x16) locations in 2x2 micro m sections over the surface of living cells. The adhesion forces between RAP and the binding protein were measured with an AFM tip functionalized with RAP. In the presence of RAP in the scanning solution, the number of force curves with large adhesion force decreased. These results indicate that the adhesive forces observed here represent specific binding between RAP and the binding protein. This method will be a useful application of AFM to examine receptors on cell surfaces in high resolution.     

Non-optical tip–sample distance control method for scanning near-field optical microscopy using a piezoresistive micro cantilever

A piezoresistive micro cantilever is applied to monitor the displacement of an optical fibre probe and to control tip–sample distance. The piezoresistive cantilever was originally made for a self-sensitive atomic force microscopy (AFM) probe and has dimensions of 400 µm length, 50 µm width and 5 µm thickness with a resistive strain sensor at the bottom of the cantilever. We attach the piezoresistive cantilever tip to the upper side of a vibrating bent optical fibre probe and monitor the resistance change amplitude of the strain sensor caused by the optical fibre displacement. By using this resistance change to control the tip–sample distance, the two-cantilever system successfully provides topographic and near-field optical images of standard samples in a scanning near-field optical microscopy (SNOM)/AFM system. A resonant characteristic of the two-cantilever system is also simulated using a mechanical model, and the results of simulation correspond to the experimental results of resonance characteristics.     

多模态动态原子力显微镜系统

动态原子力显微镜(atomic force microscope,AFM)是通过检测悬臂谐振状态的变化来对物体表面形貌进行测量的。通过对谐振状态的三种因素即振幅、相位、频率的检测,动态AFM可以分为三种工作模式,即振幅反馈、相位反馈与频率反馈模式,这三种反馈模式有着不同的扫描特点。基于硅悬臂具有高阶谐振的特性,动态原子力显微镜可以在悬臂工作于高阶谐振状态时对物体进行扫描。综合上述工作模式研制了一套多模态动态AFM,可以在三种反馈模式、不同阶谐振状态下对物体进行扫描测量。利用该系统在不同反馈模式、不同阶谐振状态下进行了扫描测试,结果显示,系统在各模式下具有亚纳米分辨力,其中在相位反馈模式,悬臂二阶谐振时可达到最优灵敏度与分辨力,分别为17.5V/μm和0.29nm,在最优灵敏度与分辨力状态下对光栅试样进行了三维扫描,得到光栅的三维形貌图。     

散射式太赫兹扫描近场光学显微技术研究

基于散射式近场探测原理,设计并搭建了散射式太赫兹扫描近场光学显微系统(THz s-SNOM),实现了纳米量级空间分辨率的太赫兹近场显微成像测量。该系统以输出频率范围为0.1~0.3THz的太赫兹倍频模块为发射源,通过纳米探针的针尖产生纳米光源与样品相互作用,并将样品表面的倏逝波转化为可在远场测量的辐射波。通过探针逐点扫描样品表面,同时获得了样品表面的形貌图和太赫兹近场显微图。该系统的显微分辨率取决于探针针尖的曲率半径,而与太赫兹波的波长无关。使用该系统测量了金薄膜/硅衬底样品和石墨烯样品的近场显微图,结果表明,近场显微的空间分辨率优于60nm,波长与空间分辨率之比高达λ/26000。