用于微纳米几何量尺寸测量的三维微接触式测头

为实现微纳尺度器件三维几何形貌测量及表征,基于电容和压阻原理,开发了两种三维微接触式测头。其中电容测头测量范围4.5μm,轴向分辨力和横向分辨力分别为10 nm和25 nm;压阻测头测量范围4.6μm,轴向分辨力和横向分辨力分别为5 nm和10 nm。两种测头均可集成到纳米测量机,实现微结构几何参数的测量。     

锁相放大器在生物量参数在线检测中的应用

简要介绍了锁相放大器的基本组成，分析了锁相放大器实现微弱信号检测的原理，提出了一种利用锁相放大器在线检测生物发酵过程菌体浓度的新方法，并且实验验证了该检测方法的可行性、     

一种适用于原位纳米力学测试的AFM测头

设计并制作了一种适用于原位纳米力学测试的原子力显微镜(AFM)测头.测头由光学检测系统和Z向压电陶瓷微位移机构组成.其中光学检测系统采用光杠杆与显微镜同轴光路检测探针形变,压电位移机构内置电容传感器可实现探针进给量的闭环控制.标定实验表明该测头闭环位移分辨力优于10 nm,在标定范围内具有很好的线性.利用该测头对某型微悬臂梁法向弹性常数进行了测量,测得值与采用具有溯源性的标定方法所得结果一致.     

用于音叉式原子力显微镜的探针制备

建立了一种电化学腐蚀法钨探针制备系统,通过对电化学腐蚀过程中微弱电流信号的实时检测,实现对腐蚀电路快速通断的自动控制,断电时间0.3 ms。该系统制备出了具有与理想轮廓一致的指数形探针。分析了电解电压、电解液浓度与腐蚀电流的关系,得出腐蚀最佳参数。将石英音叉与钨探针粘接构成原子力显微镜测头,完成了调幅模式下的力曲线测试。实验结果表明:制作的钨探针满足原子力显微镜测头性能要求,音叉信号稳定,能识别10 nm的运动变化,为研制高性能音叉式原子力显微镜提供了实验技术基础。     

WMS温度测量中谐波信号锁相放大器的设计

在波长调制光谱技术(Wavelength Modulation Spectroscopy, WMS)温度测量中,传统的锁相放大器测量谐波信号的振幅必须对被测信号及参考信号的相位单独进行调整。针对这一问题,设计了一种基于高精度平衡调制器AD630进行同步相敏检测的谐波信号的双锁相放大器。与传统的锁相放大器相比,所提双锁相放大器利用正交双通道的平方和检测,可以避免被测信号与参考信号进行严格的相位匹配问题。利用Multisim软件构建仿真模型,包括前置高通滤波器、正交双通道的相敏检波器、低通滤波器等部分。理论计算和仿真结果表明,所提方法能够准确检测微弱一次、二次、四次谐波信号的幅度,检测误差小于5%,具有电路简单、运行速度快、线性度高等优点,能够满足WMS温度测量工程应用。     

音叉式AFM探针针尖与表面接近特性的研究

原子力显微镜（AFM）对样品进行测量时,探针针尖与样品表面接近过程中的微观作用力探测是实现样品形貌准确测量的基础。本文基于音叉式探针的特性建立探针针尖与样品表面接近过程中的动力学方程,并利用simulink软件模拟了上述过程中探针悬臂振幅响应情况。自主搭建了基于音叉探针的接近曲线检测装置,编写位移系统控制程序和锁相放大器数据采集程序,在调幅模式下获得探针在不同激励电压下的接近曲线,其形式与仿真相符。研究结果将为音叉式原子力显微系统的搭建及优化反馈控制的设计提供扫描基准参考。     

小型自感应原子力显微镜测头及其标定

设计了一种小型轻敲式自感应原子力显微镜(AFM)测头以实现微/纳尺度下的几何量测量.轻敲式测头采用石英音叉式自感应探针,通过自身的电信号输出检测悬臂梁的振幅变化,无需额外的光学传感器.设计了测头的微弱自感应信号放大电路,并补偿音叉寄生电容对测量的干扰.机械结构紧凑便于将测头固定于光学显微镜下观察测量情况,同时屏蔽外界的干扰.利用显微激光多普勒测振系统,标定了测头机电耦合系数为145 nm/V,由此可以计算测头工作频率下悬臂梁的振幅.搭建了以纳米测量机(NMM)为高精度定位平台的测试系统,利用该系统对测头进行进/退针实验,标定测头的灵敏度为0.47 nm/mV,NMM内置的干涉仪保证标定直接溯源至"米"定义.实验表明测头的非线性误差小于1%,测量范围在百纳米级.     

锁相放大器直流输出分析——输入占空比可调矩形波信号

锁相放大器在微弱信号检测中具有广泛的应用,为了更好地了解锁相放大器的工作特性,采用占空比可调的矩形波信号作为信号源输入,系统研究锁相放大器的直流输出与输入信号的相位及占空比的关系。实验结果表明:采用幅值相同、不同占空比的矩形波信号通过锁相放大器其直流输出值不同,输入不同占空比的矩形波的被测信号在锁相放大器直流输出与相位和占空比的关系图像为三角波形,当占空比为0.5时有最大输出值。     

基于正交锁相放大器的交流电法接收机设计

针对目前野外测量环境复杂,直流电法仪测试结果不稳定、发射电流大导致野外使用不方便等问题,提出将相关检测技术用于低频交流电法接收机的设计方案。采用正弦波交流激发,通过正交锁相放大器测量接收电极上电位差信号的幅值和相位信息,实现复电阻率的低频交流电法仪接收机设计。利用中心频率自动可调的带通滤波器和频率自动跟踪的锁相放大器,在强噪声背景下检测出接收电极上的电位差信号。实验结果表明:在一定频率范围内接收机实现频率自动跟踪测量,准确测量出被测信号的幅值和相位,提高电法仪的测量精度和抗干扰能力。     

利用纳米测量机实现大范围的计量型原子力显微镜

利用纳米测量机(NMM)和原子力显微镜(AFM)实现了大范围的计量型AFM,测量范围可以达到25mmⅹ25mmⅹ5mm,分辨力为0.1nm。纳米测量机扩展了普通AFM测头的测量范围,减小了压电扫描器固有特性的影响。运动全范围内的自适应误差补偿通过5个自由度的闭环操作得以实现。系统的高精度是通过3个微型激光干涉仪的零阿贝误差设置,一个表面传感AFM测头以及两个角度传感器实现。系统具有4种工作模式,其中第4种为最佳工作模式。实验结果表明系统具有高精度和大范围的特点。     

原子力显微镜的双探针接触测量研究

为实现双探针原子力显微镜的探针对准,用探针A对探针B的成像进行了深入的研究。首先对音叉探针进行有限元仿真,分析探针的机械特性。其次用锁相放大器获取探针的幅度和频率信号,让探针接近样品（硅片）以获得系统的分辨率。最后在YOZ平面用探针A对探针B扫描成像,逐步缩小扫描范围并同时减小扫描步进。实验表明,探针的分辨率优于1 nm,双探针对准精度可达5 nm。     

原子力声显微镜成像及分析

超声检测技术与原子力显微技术相结合,构成原子力声显微镜(AFAM),能够实现样品内部纳米结构的测量,并分析如局域弹性模量、刚度等力学性能.本文在传统的原子力显微镜(AFM)的基础上初步构建了AFAM,利用AFM轻敲模式下的微悬臂梁振动激励信号来驱动样品背面的压电超声换能器,并利用轻敲模式控制系统中的锁相环检测经过样品后由探针收集的振动信号,形成振幅及相位图像.这种AFAM方法不需外接信号发生器、锁相放大器及相关控制电路,从而避免AFM内、外部的仪器及控制电路的不同步而引起的AFAM振幅/相位与形貌图像间的偏移.此外,还分析了形貌结构对AFAM振幅图像的影响,为进一步研究AFAM亚表面成像奠定了基础.     

基于光子计数调制的光学时域反射测量

针对光学时域反射测量的信噪比受到光子计数的量子起伏的影响,本文提出了光子计数调制技术应用于1.55μm单光子探测光时域反射测量系统,该方法根据相干光场量子涨落的噪声功率在频域上具有均匀分布的特性,采用光子计数调制与锁相放大器解调的方法抑制了量子起伏.实验结果表明,通过改变锁相放大器的积分时间设置滤波带宽,改善了光子计数的信噪比.与光子计数直接测量的结果相比,光子计数调制的光学时域反射测量的信噪改善比达到28.3 dB.     

Noise analysis for position-sensitive detectors

A study of the different noise sources in a position sensitive detector (PSD)-transimpedance amplifier (TIA) sensing system is presented and the dominant noise sources are identified. The effect of these noise sources on the position detection capability of the sensing system is analyzed. An expression derived for the position resolution of the phase method of position detection reveals the position resolution depends inversely on the modulation frequency of the light source and the square of the amplitude of the currents flowing through the metal electrodes, and is dependent on the position of the incident light beam. Simulation results show that the best achievable position resolution is at the center of the PSD and becomes worse as one moves away from the center toward the edges. Compared to the 4 nm/√Hz position resolution that is achievable using the amplitude method of position detection, the phase method of position detection provides a resolution of 9 nm/√Hz and 6 nm/√Hz corresponding to a modulation frequency of 50 kHz and 70 kHz respectively     

Frequency shifts of iodine stabilized He-Ne lasers at higherharmonic order stabilization

The frequency shifts of an ¹²⁷I₂ stabilized He-Ne laser at 633 nm have been measured at the third, fifth, and seventh harmonic stabilization using a digital signal processing lock-in amplifier. The observed frequency shifts confirmed the previous theoretical prediction that the laser frequency depends on the harmonic order of stabilization. The lower effects of modulation amplitude shift, power shift, and iodine pressure shift at the fifth harmonic stabilization indicate a potential improvement of the frequency reproducibility of the laser standard. A model is suggested to describe the power shifts of the laser. The mechanism explains the lower power shift of some lasers when they are operated at relatively high intracavity power     

A novel technique to measure the group velocity of sound in dispersive media

A technique is proposed for measuring the group velocity of sound by a frequency-modulated (FM) continuous wave (CW) technique. Detailed calculations are presented, showing that V(g)=(deltaomega(m)/deltaphi)d , where V(g), deltaomega(m), deltaphi, and d are, respectively, the group velocity, change of modulation frequency, phase change of the received signal detected by a biphase lock-in amplifier, and the distance traveled by the sound. The approach has the advantage of high resolution compared to the conventional time-of-flight measurement technique.     

Thermal diffusivity imaging with the thermal lens microscope

A coaxial thermal lens microscope was used to generate images based on both the absorbance and thermal diffusivity of histological samples. A pump beam was modulated at frequencies ranging from 50 kHz to 5 MHz using an acousto-optic modulator. The pump and a CW probe beam were combined with a dichroic mirror, directed into an inverted microscope, and focused onto the specimen. The change in the transmitted probe beam's center intensity was detected with a photodiode. The photodiode's signal and a reference signal from the modulator were sent to a high-speed lock-in amplifier. The in-phase and quadrature signals were recorded as a sample was translated through the focused beams and used to generate images based on the amplitude and phase of the lock-in amplifier's signal. The amplitude is related to the absorbance and the phase is related to the thermal diffusivity of the sample. Thin sections of stained liver and bone tissues were imaged; the contrast and signal-to-noise ratio of the phase image was highest at frequencies from 0.1-1 MHz and dropped at higher frequencies. The spatial resolution was 2.5 μm for both amplitude and phase images, limited by the pump beam spot size.     

一种带移相功能的锁相放大电路设计及仿真

介绍了一种带移相功能的锁相放大电路的设计及仿真,可应用于从噪声中提取微弱信号的领域。锁相放大技术与窄带滤波相似,包括相敏检波和低通滤波,该电路基于相敏检波芯片AD630,并设计0°~360°移相电路,可调节相位保证输入信号与参考信号相位一致,得到输出最大值,经过仿真试验验证,该锁相放大电路可从1000倍的噪声中提取有效信号。