專利名稱：原子力聲學(xué)顯微鏡懸臂梁接觸諧振頻率檢測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
原子力聲學(xué)顯微鏡懸臂梁接觸諧振頻率檢測系統(tǒng)主要用于檢測原子力顯微鏡懸 臂梁的接觸諧振頻率，進(jìn)而實現(xiàn)原子力聲學(xué)顯微鏡的彈性模量成像，屬于無損檢測領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
原子力聲學(xué)顯微鏡(AFAM)技術(shù)，通過使原子力顯微鏡的懸臂梁或被測試件做超 聲振動，激勵懸臂梁的高階振動模態(tài)。精確測定高階諧振頻率的漂移，可很好地反映試件表 面局部機(jī)械性質(zhì)，如接觸剛度、彈性常數(shù)、近表面缺陷等。這種技術(shù)具有很高的橫向分辨率 (可小于lOnm)，既適用于電子封裝焊點的表面及近表面缺陷檢測，又可測量薄膜材料的彈 性性質(zhì)，是近年來無損檢測界的新的研究熱點。AFAM 一般是在原子力顯微鏡平臺上搭建起來的。根據(jù)激勵源的不同可分為兩類， 樣品-AFAM(S-AFAM，樣品激勵)和探針-AFAM(T-AFAM，探針激勵)。S-AFAM的工作方式是 指AFM工作在接觸模式，樣品背面用耦合劑粘接壓電換能器，放置在原子力顯微鏡支架上， 將激勵源接入壓電換能器。T-AFAM的工作方式是指信號發(fā)生器驅(qū)動壓電換能器產(chǎn)生一個連 續(xù)的振動信號，該信號穿透樣品被AFM懸臂接受，當(dāng)AFM懸臂的探針接觸到樣品時，這種微 弱振動通過探針-樣品耦合傳播從而激勵懸臂振動。檢測懸臂的振動信號，這個信號輸入 鎖相放大器，激勵源的激勵信號也輸入鎖相放大器作為參考信號，信號經(jīng)鎖相放大器處理 后進(jìn)入計算機(jī)，應(yīng)用分析軟件進(jìn)行分析獲得試件表面形貌圖和相位圖。盡管目前AFAM法可很好地反映試件表面局部機(jī)械性質(zhì)，如接觸剛度、彈性常數(shù)、 近表面缺陷等。但由于傳統(tǒng)的原子力聲學(xué)顯微鏡系統(tǒng)采用鎖相或網(wǎng)絡(luò)分析定位技術(shù)，實際 成像速度太慢。為了快速獲取接觸諧振頻率，以便實現(xiàn)快速彈性模量成像，需開發(fā)一套基于 DSP的諧振頻率檢測系統(tǒng)，用于在成像過程中實時檢測諧振頻率。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的在于，為解決傳統(tǒng)原子力聲學(xué)顯微鏡技術(shù)中采用鎖相放大器或 網(wǎng)絡(luò)分析儀獲取原子力聲學(xué)顯微鏡懸臂梁接觸諧振頻率速度較慢，進(jìn)而導(dǎo)致原子力顯微鏡 成像慢的問題，提供一種快速獲取原子力聲學(xué)顯微鏡懸臂梁接觸諧振頻率的頻率檢測系 統(tǒng)。為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用了如下方案采用DSP信號處理器件，實現(xiàn)一 種快速自動對原子力聲學(xué)顯微鏡懸臂梁接觸諧振頻率檢測的系統(tǒng)，主要包括DSP控制板、 與原子力聲學(xué)顯微鏡懸臂梁的光電二極管探測器連接的鎖相放大器、與原子力聲學(xué)顯微鏡 的壓電傳感器連接的壓控振蕩器VCO。鎖相放大器從光電二極管探測器輸出的信號中提取 原子力聲學(xué)顯微鏡懸臂梁振動信號，輸入到DSP控制板中進(jìn)行信號處理；DSP控制板處理鎖 相放大器輸入的信號，繪制出輸入信號的頻率譜，得到懸臂梁的中心頻率；VCO作為與樣品 耦合的壓電傳感器的信號激勵源，根據(jù)DSP控制板輸入的控制信號，產(chǎn)生3kHz 3MHz的 正弦波掃頻到壓電傳感器；而且，DSP控制板根據(jù)得到的中心頻率，輸出一個反饋信號也至VC0，該信號調(diào)整VCO來調(diào)節(jié)振動的中心頻率以維持懸臂梁響應(yīng)曲線位于諧振中心。所述DSP控制板包含DSP芯片、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器和D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器、多通道數(shù)據(jù)緩 沖器、復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD、同步動態(tài)隨機(jī)存儲器SDRAM、閃存FLASH、外部時鐘和串行 接口，DSP控制板接收鎖相放大器輸入的信號，首先經(jīng)過A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)入DSP芯片內(nèi)進(jìn) 行信號處理，DSP芯片的工作頻率由外部時鐘提供，CPLD控制系統(tǒng)的工作時序，由FLASH和 SDRAM進(jìn)行片外數(shù)據(jù)存儲，DSP芯片通過串行接口與外部設(shè)備通信，信號處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)過 D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)變成模擬信號，輸入到VCO中。并設(shè)置一路占空比調(diào)節(jié)電路接至VC0，從 而調(diào)節(jié)VCO輸出信號的占空比?？梢栽鲈O(shè)電腦主機(jī)，該電腦主機(jī)通過串行接口與DSP芯片通信，電腦主機(jī)中設(shè)有 人機(jī)交換界面，可根據(jù)DSP控制板傳來的信息顯示諧振曲線，并且可設(shè)定調(diào)節(jié)參數(shù)給DSP控 制板。另外，從DSP控制板輸出的調(diào)整VCO中心頻率的反饋信息，也被送至原子力顯微鏡 的輔助成像輸入端口，繪制成一個與諧振頻率成比例的圖像。本實用新型基于原子力顯微鏡懸臂諧振曲線峰值對應(yīng)的電壓信號，采用先進(jìn)的 DSP信號處理器件控制壓控振蕩器輸出諧振中心頻率的正弦電壓信號激勵壓電傳感器，得 到諧振曲線，進(jìn)而得到諧振曲線的中心頻率，實現(xiàn)了一種快速自動頻率檢測系統(tǒng)。

圖1壓控振蕩器的工作示意圖；圖2原子力聲學(xué)顯微鏡懸臂梁接觸諧振頻率檢測系統(tǒng)一優(yōu)選實施例的結(jié)構(gòu)框圖；圖3圖2所示實施例中DSP控制板結(jié)構(gòu)示意圖圖4本實用新型中DSP控制板對原子力聲學(xué)顯微鏡懸臂梁振動頻率信號處理的流 程圖。
具體實施方式
本實用新型中作為壓電傳感器的信號激勵源是一個壓控振蕩器(VCO)，給VCO輸 入一個電壓信號，VCO輸出一定頻率的正弦波，增大輸入電壓信號的幅值，相應(yīng)的VCO輸出 的正弦波的頻率也增大。VCO工作時需要的外圍條件如圖1所示。首先DSP控制板輸出一 掃頻信號(即電壓幅值變化的信號)至vco，VCO產(chǎn)生掃頻正弦信號，激勵壓電傳感器。然 后DSP控制板通過A/D采樣、信號處理后，反饋懸臂梁諧振中心頻率對應(yīng)的電壓信號至VC0， VCO產(chǎn)生諧振頻率下的正弦信號激勵壓電傳感器。另有一路占空比調(diào)節(jié)電路，可調(diào)節(jié)VCO輸 出信號的占空比。
以下結(jié)合附圖2-4通過具體實施例對本實用新型作進(jìn)一步的說明，以下實施例只 是描述性的，不是限定性的，不能以此來限定本實用新型的保護(hù)范圍。本實施例的總體結(jié)構(gòu) 框圖如圖2所示，具體工作過程如下1)DSP控制板(DSP信號處理A)中發(fā)出掃頻信號，控制VCO(壓電振蕩器B)產(chǎn)生一 振幅可調(diào)掃頻正弦波傳遞到壓電傳感器C，壓電傳感器C上放置樣品D。2)該信號穿透樣品被原子力顯微鏡E中的懸臂梁接受。當(dāng)懸臂梁上的探針接觸到 樣品D時，這種微弱振動通過探針-樣品耦合傳播從而激勵懸臂振動。光電二極管探測器探測到懸臂梁的振動幅度，將這一信號送至鎖相放大器F。3)鎖相放大器F從光電二極管探測器輸出的信號中提取原子力聲學(xué)顯微鏡懸臂 梁振動信號，將其轉(zhuǎn)換成直流信號，輸入到DSP控制板中進(jìn)行信號處理。DSP控制板讀取這 一信號，存儲起來。每次掃描完成后，構(gòu)建一個完整的諧振曲線，找到諧振曲線中的峰值。并 將這一信息以電壓信號的形式通過一反饋控制環(huán)路送至VC0，調(diào)整VCO來調(diào)節(jié)振動的中心 頻率以維持懸臂響應(yīng)曲線位于諧振中心。4)用于調(diào)節(jié)VCO的中心頻率的反饋電壓信號，也被送至原子力顯微鏡的成像端口 G，繪制成一個與諧振頻率成比例的圖像。 5)還設(shè)有主機(jī)H，主機(jī)H與DSP控制板通信，電腦主機(jī)H可根據(jù)DSP控制板傳來的 信息顯示諧振曲線，并且設(shè)有人機(jī)交換界面，可設(shè)定調(diào)節(jié)參數(shù)給DSP控制板。本實用新型的核心硬件為DSP控制板，包含DSP芯片、A/D、D/A、多通道數(shù)據(jù)緩沖 器、CPLD、SDRAM、FLASH、外部時鐘和串行接口等器件，DSP控制板結(jié)構(gòu)如圖3所示。首先鎖 相放大器輸入的信號經(jīng)過A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換進(jìn)入DSP芯片內(nèi)進(jìn)行信號處理，DSP芯片的工作頻率 由外部時鐘提供，CPLD控制系統(tǒng)的工作時序。由FLASH和SDRAM進(jìn)行片外數(shù)據(jù)存儲。DSP芯 片通過串行接口與電腦主機(jī)通信，信號處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)過D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)變成模擬信號， 輸入到VCO中。本實用新型的核心技術(shù)主要是，DSP控制板讀取經(jīng)過鎖相放大器提取出來的原子 力顯微鏡懸臂諧振曲線信號，找到其峰值，并反饋與之對應(yīng)的電壓信號，控制VOD輸出諧振 中心頻率的正弦電壓信號激勵壓電傳感器，實現(xiàn)了一種快速自動頻率檢測方案。DSP控制板 的信號處理流程圖，如圖4所示。
權(quán)利要求1.原子力聲學(xué)顯微鏡懸臂梁接觸諧振頻率檢測系統(tǒng)，主要包括DSP控制板、與原子力 聲學(xué)顯微鏡懸臂梁的光電二極管探測器連接的鎖相放大器、與原子力聲學(xué)顯微鏡的壓電傳 感器連接的壓控振蕩器VC0，其特征在于鎖相放大器從光電二極管探測器輸出的信號中 提取原子力聲學(xué)顯微鏡懸臂梁振動信號，輸入到DSP控制板中進(jìn)行信號處理；DSP控制板處 理鎖相放大器輸入的信號，繪制出輸入信號的頻率譜，得到懸臂梁的中心頻率；VCO作為與 樣品耦合的壓電傳感器的信號激勵源，根據(jù)DSP控制板輸入的控制信號，產(chǎn)生3kHz 3MHz 的正弦波掃頻到壓電傳感器；而且，DSP控制板根據(jù)得到的中心頻率，輸出一個反饋信號也 至VC0，該信號調(diào)整VCO來調(diào)節(jié)振動的中心頻率以維持懸臂梁響應(yīng)曲線位于諧振中心。
2.如權(quán)利要求1所述的原子力聲學(xué)顯微鏡懸臂梁接觸諧振頻率檢測系統(tǒng)，其特征在 于所述DSP控制板包含DSP芯片、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器和D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器、多通道數(shù)據(jù)緩沖器、 復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD、同步動態(tài)隨機(jī)存儲器SDRAM、閃存FLASH、外部時鐘和串行接口， DSP控制板接收鎖相放大器輸入的信號，首先經(jīng)過A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)入DSP芯片內(nèi)進(jìn)行信號 處理，DSP芯片的工作頻率由外部時鐘提供，CPLD控制系統(tǒng)的工作時序，由FLASH和SDRAM 進(jìn)行片外數(shù)據(jù)存儲，DSP芯片通過串行接口與外部設(shè)備通信，信號處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)過D/A數(shù) 模轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)變成模擬信號，輸入到VCO中。
3.如權(quán)利要求2所述的原子力聲學(xué)顯微鏡懸臂梁接觸諧振頻率檢測系統(tǒng)，其特征在 于增設(shè)電腦主機(jī)，該電腦主機(jī)通過串行接口與DSP芯片通信，所述電腦主機(jī)中設(shè)有人機(jī)交 換界面，可根據(jù)DSP控制板傳來的信息顯示諧振曲線，并且可設(shè)定調(diào)節(jié)參數(shù)給DSP控制板。
4.如權(quán)利要求1所述的原子力聲學(xué)顯微鏡懸臂梁接觸諧振頻率檢測系統(tǒng)，其特征在 于設(shè)置有一路占空比調(diào)節(jié)電路接至VC0，從而調(diào)節(jié)VCO輸出信號的占空比。
5.如權(quán)利要求1-4中任一項所述的原子力聲學(xué)顯微鏡懸臂梁接觸諧振頻率檢測系統(tǒng)， 其特征在于從DSP控制板輸出的調(diào)整VCO中心頻率的反饋信息，也被送至原子力顯微鏡的 輔助成像輸入端口，繪制成一個與諧振頻率成比例的圖像。
專利摘要原子力聲學(xué)顯微鏡懸臂梁接觸諧振頻率檢測系統(tǒng)主要用于檢測原子力顯微鏡懸臂梁的接觸諧振頻率，進(jìn)而實現(xiàn)原子力聲學(xué)顯微鏡的彈性模量成像，屬于無損檢測領(lǐng)域。本實用新型基于原子力顯微鏡懸臂諧振曲線峰值對應(yīng)的電壓信號，控制壓控振蕩器輸出諧振中心頻率的正弦電壓信號激勵壓電傳感器的原理。主要包括與原子力聲學(xué)顯微鏡懸臂梁的光電二極管探測器連接的鎖相放大器、與原子力聲學(xué)顯微鏡的壓電傳感器連接的壓控振蕩器(VCO)，以及處理頻率信號的DSP控制板。DSP控制板控制VCO輸出諧振中心頻率的正弦電壓信號激勵壓電傳感器，得到諧振曲線，進(jìn)而得到諧振曲線的中心頻率，實現(xiàn)了一種自動頻率檢測系統(tǒng)。
文檔編號G01H13/00GK201892570SQ20102064106
公開日2011年7月6日 申請日期2010年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月26日
發(fā)明者何存富, 吳斌, 宋國榮, 張改梅, 楊發(fā)奎, 焦敬品, 王娜, 鄭磊 申請人:北京工業(yè)大學(xué)