基于AFM的振幅反饋電路設(shè)計

王萍，戴斐

（合肥職業(yè)技術(shù)學(xué)院，機電工程學(xué)院，安徽 合肥 238010）

AFM全稱是Atomic Force Microscope，即原子力顯微鏡，它是一種原子級高分辨的新型的測量儀器。AFM適用于導(dǎo)體和半導(dǎo)體材料，可以在液體中對物體進行測量，與被測試樣可以有接觸、非接觸和輕敲三種工作模式，具有測量精度高、可達到納米級等顯著的優(yōu)點。在納米材料、精密制造、生物等領(lǐng)域中應(yīng)用十分廣泛。但是，原子力顯微鏡在測量樣品形貌的時候也存在掃描速度慢、耗時長等不足，本文針對AFM測量的這一缺陷，設(shè)計了一種PID反饋控制硬件電路，通過硬件電路對掃描速度有了有效的提高。

1 AFM的工作原理

原子力顯微鏡檢測是利用其極小的原子量級的探針針尖與被測物體表面原子的作用力，此作用力與距離有關(guān)，如圖1所示，橫坐標r為距離，縱坐標為原子間作用力f。當探針慢慢接近被測物體時，即r慢慢減小，原子間的合力先為排斥力，隨著距離r逐漸減小，排斥力緩慢增加，r減小到r’時，排斥力快速增加達到最大值，然后，快速減小到0，隨著r繼續(xù)減小，兩原子間的作用力表現(xiàn)為吸引力，吸引力隨著距離的減小極具增加。通過圖1可知，當距離r小于r’后，作用力f隨距離r的變化十分明顯，即r很小的變化引起f的巨大變化，且基本為線性關(guān)系。原子力顯微鏡在檢測物體時，正是利用兩者的這一線性關(guān)系和高靈敏度。

圖1 兩原子間的作用力與距離的關(guān)系曲線

2 AFM結(jié)構(gòu)與測量原理

原子力顯微鏡是綜合運用了精密機械光電檢測信號處理信號采集圖像處理等技術(shù)的高精度精密儀器，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，是由物料檢測臺、微懸臂探頭、激光放大機構(gòu)、光電檢測電路及反饋控制系統(tǒng)和等部分組成。其中，物理檢測臺主要是由一個或多個壓電陶瓷構(gòu)成，壓電陶瓷是一種具有壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)的材料，即給壓電陶瓷施加拉力或壓力，材料會產(chǎn)生電場，力消失電場消失，電場方向隨著力的方向變化而變化；同樣，當給壓電材料施加電場，其會發(fā)生形變，出現(xiàn)拉伸或收縮的現(xiàn)象，形變方向與施加電場方向有關(guān)。測量時，將被測物體放在檢測臺上，由于被測物形貌的關(guān)系，其各點與微懸臂探針距離不同，探針所受作用力不同，導(dǎo)致探針的振動幅度不同；通過放大機構(gòu)和光電檢測電路將檢測探針的振幅或相位的偏移量進行放大并測量，最終轉(zhuǎn)換成電信號，即將物體形貌的變化轉(zhuǎn)換成電信號的變化，并通過檢測臺水平方向移動被測物體，即可得到被測物各點形貌的電信號。為了使測量更精確，需要將檢測的電信號通過反饋控制系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)，最后，再通過計算機控制整個掃描過程，計算處理相關(guān)數(shù)據(jù)，并顯示被測物體的形貌。一般在測量時，將探針與測量點的距離設(shè)成恒定值，當形貌變化，被測點與探針距離變化，反饋控制系統(tǒng)將這一變化與恒定值比較，從而調(diào)節(jié)控制壓電陶瓷的電壓，調(diào)節(jié)探針與被測點的距離，直至達到恒定值。反饋控制系統(tǒng)有軟件反饋和硬件反饋兩種方式，其中軟件反饋通過各種PID算法，優(yōu)點是修改方便、不增加成本，缺點是計算復(fù)雜，在反饋調(diào)節(jié)過程中，需要多次調(diào)節(jié)多次計算才能達到設(shè)定值，導(dǎo)致執(zhí)行速度慢，掃描時間長；硬件反饋與此相反，掃描速度快，但硬件電路不易修改反饋參數(shù)。反饋控制信號可以是振幅、相位及頻率等，本文在保持探針與被測點距離不變的情況下，采用振幅作為反饋信號。

圖2 原子力顯微鏡的結(jié)構(gòu)組成

3 AFM的振幅反饋電路設(shè)計

本文設(shè)計了具有PID的硬件振幅反饋電路，在檢測物體過程中，保持AFM的探針針尖與物體的距離為設(shè)定值，即探針受力是恒定的值，此作用力由AFM轉(zhuǎn)換成恒定的電壓量輸出。AFM的振幅反饋電路設(shè)計框圖如圖3所示。當檢測被測物的不同點時，由于物體形貌的變化，探針與檢測點的距離發(fā)生變化，探針受力發(fā)生變化，AFM輸出的反應(yīng)被測點形貌的電壓量與設(shè)定值不同。將此電壓值與設(shè)定值進行比較作差，再將差值進行PID運算，再通過求和、放大后差值反饋電壓送給Z向壓電陶瓷，壓電陶瓷的電壓變化，發(fā)生相應(yīng)的形變，改變被測點與探針的距離，使此距離最終保持恒定，記錄此時加在壓電陶瓷上的電壓大小即為被測點的形貌，對被測物體多點進行檢測，最終得到被測物體的形貌。AFM的振幅反饋電路原理圖如圖4所示。

圖3 AFM的振幅反饋電路設(shè)計框圖

圖4 AFM的振幅反饋硬件原理圖

4 結(jié)語

本文通過分析原子力顯微鏡測量的原理，提出其存在的問題，并設(shè)計了硬件PID反饋控制后，使其測量時掃描速度得到有效提高。