专利名称：原子力声学显微镜悬臂梁接触谐振频率追踪系统的制作方法
技术领域：
原子力声学显微镜悬臂梁接触谐振频率追踪系统主要用于快速获取原子力显微 镜悬臂梁的接触谐振频率，进而实现原子力声学显微镜的快速弹性模量成像，属于无损检 测领域。
背景技术：
原子力声学显微镜(AFAM)技术，通过使原子力显微镜的悬臂梁或被测试件做超 声振动，激励悬臂梁的高阶振动模态。精确测定高阶谐振频率的漂移，可很好地反映试件表 面局部机械性质，如接触刚度、弹性常数、近表面缺陷等。这种技术具有很高的横向分辨率 (可小于lOnm)，既适用于电子封装焊点的表面及近表面缺陷检测，又可测量薄膜材料的弹 性性质，是近年来无损检测界的新的研究热点。AFAM 一般是在原子力显微镜平台上搭建起来的。根据激励源的不同可分为两类， 样品-AFAM(S-AFAM，样品激励)和探针_AFAM(T_AFAM，探针激励)。S-AFAM的工作方式是 指AFM工作在接触模式，样品背面用耦合剂粘接压电换能器，放置在原子力显微镜支架上， 将激励源接入压电换能器。T-AFAM的工作方式是指信号发生器驱动压电换能器产生一个连 续的振动信号，该信号穿透样品被AFM悬臂接受，当AFM悬臂的探针接触到样品时，这种微 弱振动通过探针_样品耦合传播从而激励悬臂振动。检测悬臂的振动信号，这个信号输入 锁相放大器，激励源的激励信号也输入锁相放大器作为参考信号，信号经锁相放大器处理 后进入计算机，应用分析软件进行分析获得试件表面形貌图和相位图。尽管目前AFAM法可很好地反映试件表面局部机械性质，如接触刚度、弹性常数、 近表面缺陷等。但由于传统的原子力声学显微镜系统采用锁相或网络分析定位技术，实际 成像速度太慢。为了快速获取接触谐振频率，以便实现快速弹性模量成像，需开发一套基于 DSP的谐振频率追踪系统，用于在成像过程中实时追踪谐振频率。
发明内容
本发明的目的在于，为解决传统原子力声学显微镜技术中采用锁相放大器或网络 分析仪获取原子力声学显微镜悬臂梁接触谐振频率速度较慢，进而导致原子力显微镜成像 慢的问题，提供一种快速获取原子力声学显微镜悬臂梁接触谐振频率的频率追踪系统。为了实现上述目的，本发明采用了如下方案采用DSP信号处理器件，实现一种快 速自动对原子力声学显微镜悬臂梁接触谐振频率追踪的系统，主要包括DSP控制板、与原 子力声学显微镜悬臂梁的光电二极管探测器连接的有效值直流转换电路(RMS-DC)、与原子 力声学显微镜的压电传感器连接的压控振荡器(VCO)，其特征在于RMS-DC将光电二极管 探测器输出的交流信号转换为直流信号，输入到DSP控制板中进行信号处理；DSP控制板处 理RMS-DC输入的信号，绘制出输入信号的频率谱，得到悬臂梁的中心频率；VCO作为与样品 耦合的压电传感器的信号激励源，根据DSP控制板输入的控制信号，产生3kHz 3MHz的 正弦波扫频到压电传感器；而且，DSP控制板根据得到的中心频率，输出一个反馈信号也至VC0，该信号调整VC0来调节振动的中心频率以维持悬臂梁响应曲线位于谐振中心。所述DSP控制板包含DSP芯片、A/D模数转换器和D/A数模转换器、多通道数据缓 冲器、复杂可编程逻辑器件(CPLD)、同步动态随机存储器(SDRAM)、闪存(FLASH)、外部时钟 和串行接口，DSP控制板接收RMS-DC输入的信号，首先经过A/D模数转换器进入DSP芯片内 进行信号处理，DSP芯片的工作频率由外部时钟提供，CPLD控制系统的工作时序，由FLASH 和SDRAM进行片外数据存储，DSP芯片通过串行接口与电脑主机通信，信号处理后的数据经 过D/A数模转换器，转变成模拟信号，输入到VC0中。并设置一路占空比调节电路接至VC0， 从而调节VC0输出信号的占空比。所述电脑主机设有人机交换界面，可根据DSP控制板传来的信息显示谐振曲线， 并且可设定调节参数给DSP控制板。另外，从DSP控制板输出的调整VC0中心频率的反馈信息，也被送至原子力显微镜 的辅助成像输入端口，绘制成一个与谐振频率成比例的图像。本发明基于原子力显微镜悬臂谐振曲线峰值对应的电压信号，采用先进的DSP信 号处理器件控制压控振荡器输出谐振中心频率的正弦电压信号激励压电传感器，得到谐振 曲线，进而得到谐振曲线的中心频率，实现了一种快速自动频率跟踪系统。
图1原子力声学显微镜悬臂梁接触谐振频率追踪系统一优选实施例的结构框图；图2图1所示实施例中DSP控制板结构示意图；图3本发明中DSP控制板对原子力声学显微镜悬臂梁振动频率信号处理的流程4压控振荡器的工作示意图。
具体实施例方式下面结合附图通过具体实施例对本发明作进一步的说明，以下实施例只是描述性 的，不是限定性的，不能以此来限定本发明的保护范围。本实施例的总体结构框图如图1所 示，具体工作过程如下1)DSP控制板中发出扫频信号，控制VC0产生一振幅可调扫频正弦波传递到压电 传感器，压电传感器上放置样品。2)该信号穿透样品被原子力显微镜中的悬臂梁接受。当悬臂梁上的探针接触到样 品时，这种微弱振动通过探针_样品耦合传播从而激励悬臂振动。光电二极管探测器探测 到悬臂梁的振动幅度，将这一信号送至有效值直流转换电路板。3)在有效值直流转换电路板内，交流振动信号转换成有效值直流电压信号，然后 传送至DSP控制板中，DSP控制板读取这一信号，存储起来。每次扫描完成后，构建一个完 整的谐振曲线，找到谐振曲线中的峰值。并将这一信息以电压信号的形式通过一反馈控制 环路送至VC0，调整VC0来调节振动的中心频率以维持悬臂响应曲线位于谐振中心。4)用于调节VC0的中心频率的反馈电压信号，也被送至原子力显微镜的辅助成像 输入端口，绘制成一个与谐振频率成比例的图像。本发明的核心硬件为DSP控制板，包含DSP芯片、A/D、D/A、多通道数据缓冲器、 CPLD、SDRAM、FLASH、外部时钟和串行接口等器件，DSP控制板结构如图2所示。首先RMS-DC输入的信号经过A/D模数转换进入DSP芯片内进行信号处理，DSP芯片的工作频率由外部 时钟提供，CPLD控制系统的工作时序。由FLASH和SDRAM进行片外数据存储。DSP芯片通 过串行接口与电脑主机通信，信号处理后的数据经过D/A数模转换，转变成模拟信号，输入 至lj VC0中。本发明的核心技术主要是，DSP控制板读取经过有效值直流转换电路后的原子力 显微镜悬臂谐振曲线信号，找到其峰值，并反馈与之对应的电压信号，控制V0D输出谐振中 心频率的正弦电压信号激励压电传感器，实现了一种快速自动频率跟踪方案。DSP控制板的 信号处理流程图，如图3所示。本发明中作为压电传感器的信号激励源是一个压控振荡器(VC0)，给VC0输入一 个电压信号，VC0输出一定频率的正弦波，增大输入电压信号的幅值，相应的VC0输出的正 弦波的频率也增大。。VC0工作时需要的外围条件如图4所示。首先DSP控制板输出一扫频 信号(即电压幅值变化的信号)至VC0，VC0产生扫频正弦信号，激励压电传感器。然后DSP 控制板通过A/D采样、信号处理后，反馈悬臂梁谐振中心频率对应的电压信号至VC0，VC0产 生谐振频率下的正弦信号激励压电传感器。另有一路占空比调节电路，可调节VC0输出信 号的占空比。
权利要求
原子力声学显微镜悬臂梁接触谐振频率追踪系统，主要包括DSP控制板、与原子力声学显微镜悬臂梁的光电二极管探测器连接的有效值直流转换电路(RMS-DC)、与原子力声学显微镜的压电传感器连接的压控振荡器(VCO)，其特征在于RMS-DC将光电二极管探测器输出的交流信号转换为直流信号，输入到DSP控制板中进行信号处理；DSP控制板处理RMS-DC输入的信号，绘制出输入信号的频率谱，得到悬臂梁的中心频率；VCO作为与样品耦合的压电传感器的信号激励源，根据DSP控制板输入的控制信号，产生3kHz～3MHz的正弦波扫频到压电传感器；而且，DSP控制板根据得到的中心频率，输出一个反馈信号也至VCO，该信号调整VCO来调节振动的中心频率以维持悬臂梁响应曲线位于谐振中心。
2.如权利要求1所述的原子力声学显微镜悬臂梁接触谐振频率追踪系统，其特征在 于所述DSP控制板包含DSP芯片、A/D模数转换器和D/A数模转换器、多通道数据缓冲器、 复杂可编程逻辑器件(CPLD)、同步动态随机存储器(SDRAM)、闪存(FLASH)、外部时钟和串 行接口，DSP控制板接收RMS-DC输入的信号，首先经过A/D模数转换器进入DSP芯片内进 行信号处理，DSP芯片的工作频率由外部时钟提供，CPLD控制系统的工作时序，由FLASH和 SDRAM进行片外数据存储，DSP芯片通过串行接口与电脑主机通信，信号处理后的数据经过 D/A数模转换器，转变成模拟信号，输入到VCO中。
3.如权利要求2所述的原子力声学显微镜悬臂梁接触谐振频率追踪系统，其特征在 于所述电脑主机设有人机交换界面，可根据DSP控制板传来的信息显示谐振曲线，并且可 设定调节参数给DSP控制板。
4.如权利要求1所述的原子力声学显微镜悬臂梁接触谐振频率追踪系统，其特征在 于设置有一路占空比调节电路接至VC0，从而调节VCO输出信号的占空比。
5.如权利要求1-4中任一项所述的原子力声学显微镜悬臂梁接触谐振频率追踪系统， 其特征在于从DSP控制板输出的调整VCO中心频率的反馈信息，也被送至原子力显微镜的 辅助成像输入端口，绘制成一个与谐振频率成比例的图像。
全文摘要
原子力声学显微镜悬臂梁接触谐振频率追踪系统主要用于快速获取原子力显微镜悬臂梁的接触谐振频率，进而实现原子力声学显微镜的快速弹性模量成像，属于无损检测领域。本发明基于原子力显微镜悬臂谐振曲线峰值对应的电压信号，控制压控振荡器输出谐振中心频率的正弦电压信号激励压电传感器的原理。主要包括与原子力声学显微镜悬臂梁的光电二极管探测器连接的有效值直流转换电路(RMS-DC)、与原子力声学显微镜的压电传感器连接的压控振荡器(VCO)，以及处理频率信号的DSP控制板。DSP控制板控制VCO输出谐振中心频率的正弦电压信号激励压电传感器，得到谐振曲线，进而得到谐振曲线的中心频率，实现了一种快速自动频率跟踪系统。
文档编号G01H11/08GK101839924SQ20101019483
公开日2010年9月22日 申请日期2010年5月28日 优先权日2010年5月28日
发明者何存富, 吴斌, 宋国荣, 张改梅, 杨发奎 申请人:北京工业大学