高频振动载物台及基于该载物台的SICM系统和扫描方法与流程

本发明涉及显微镜领域，具体涉及高频振动载物台及基于该载物台的sicm系统和扫描方法。

背景技术：

扫描离子电导显微镜(scanningionconductancemicroscopy,sicm)是在扫描隧道显微镜和原子力显微镜基础上发展而来的新型扫描探针显微镜。作为扫描探针显微镜家族中的新成员，sicm广泛应用于纳米级生物成像。扫描离子电导显微镜是一种非接触式的扫描探针显微镜，可以在液态生理条件下对被测样本表面三维形貌进行无损害、无接触、纳米级分辨率成像。另外，sicm对被测样本的导电性没有任何要求，无需脱水、固化、金属喷涂等复杂的预处理，因而近年来sicm在医药、生物、电化学等领域得到广泛应用。

衡量扫描离子电导显微镜的性能指标主要包括有测量的准确性、稳定性、快速性等。而影响扫描离子电导显微镜测量准确性的因素有扫描模式、离子电流漂移、扫描头谐振频率；快速性主要受形貌复杂程度、扫描模式、探针运动速度等因素影响；稳定性受噪声与环境干扰、电解液是否污染、xyz向压电陶瓷行程、离子电流漂移等影响。其中离子电流漂移的产生原因有：在电解池中，玻璃微吸管被杂质堵塞、银/氯化银电极表面电势的波动、电源状态的变化、电解液离子强度的变化，热漂移等都具有产生离子电流的可能性。所以抑制扫描过程中产生的离子电流漂移对于提高sicm成像质量具有重要意义。另外，扫描速度在成像质量上也是一个不可忽视的关键因素，而扫描速度又依赖于样本表面形貌是否复杂，对成像尺寸大小的要求，对成像的分辨率(成像像素数目)要求，扫描时探针的移动速度和路径等。然而现有的sicm系统结构设计中大多是将扫描探针、压电陶瓷以及其他附属元件设计为一个整体，而且只使用一块压电陶瓷来驱动探针作垂直方向移动，这种设计方式不可避免地限制了压电陶瓷的谐振频率(1khz左右)，最终影响到扫描速度的提升。因此，设计新型的具有较高谐振频率的载物台、互补于新型扫描模式对于提高扫描离子电导显微镜的成像能力和扫描速度，进而可以对各种复杂程度的三维形貌进行精确成像，是一个迫切需要解决的问题。

针对sicm扫描过程产生的离子电流漂移，为了进一步提高扫描速度和成像质量，研究人员先后提出了各种扫描模式。作为扫描离子电导显微镜诞生的标志，1989年，hansma等人首次提出了sicm系统的直流模式，直流模式的优点是扫描速度快，然而由于探针的高度z方向的进给运动发生在扫描池xy方向的运动之后，因此，当被测样本表面高度方向变化较为剧烈而且大于反馈阈值时的探头与样品间的距离时，极易造成探针断裂从而破坏样本原始表面形貌；另外，由于采用了直接离子电流作为反馈信号，其缺点是容易产生离子电流漂移，最终影响测量的稳定性和准确性。2001年，shevchuk研究团队提出了交流扫描模式，该模式是在直流模式的基础上加入了一个控制信号，采用调制离子电流的振幅作为反馈信号，对环境噪声不敏感，因此可以有效克服离子电流的漂移，使反馈控制的鲁棒性增加，相比于直流信号，其响应速度更快，然而该模式难以适用于表面高度起伏较大或复杂程度较高的样本；2009年，novakp等人提出了跳跃模式，跳跃模式真正实现了形貌复杂且高度突变表面的高分辨率测量，由于采用了较大行程的z向压电陶瓷并在扫描过程中z向跳跃幅度较大，不可避免的存在扫描速度缓慢，且因为使用直接离子电流作为反馈信号，然而直接离子电流对被测样品与探头间的距离不敏感且响应较慢，甚至产生电流漂移，在时间测量中，只能采用很小的探头进给速度才能克服样品与探头发生碰撞。2012年，zhukov提出了fsicm模式，该模式具有直流模式和跳跃模式各自优点，采用跳跃模式进行预扫描并估计首行的大体形貌，在获得大量像素点的同时极大地提高了扫描速度，但fsicm严重依赖相邻扫描行的相似性，而且仅适用于样本表面高度方向变化平缓、样本特征尺寸在探针顶端内径尺寸范围内的被测样本的成像，对于在高度方向上有较大突变的被测样本而言，容易引起探针的损坏，另外，基于直流扫描模式的fsicm，在单行扫描范围增大时，不可避免地加大了离子电流漂移。2014年，文献(5)mckelveyk,perryd,byersjc,etal.biasmodulatedscanningionconductancemicroscopy.analyticalchemistry,2014,86(7):3639-3646.在跳跃模式基础上提出了偏压调制扫描模式，虽然其在提高sicm测量速度方面很有潜力，然其测量结果没有考虑更高频率下的成像结果；偏压扫描模式下的实际扫描速度有待于进一步提高。文献(6)jungge,nohh,shinyk,etal.closed-looparsmodeforscanningionconductancemicroscopywithimprovedspeedandstabilityforlivecellimagingapplications.nanoscale,2015,7(25):10989-10997.提出了一种闭环ars(approach-retract-scanning)扫描模式，这一模式进一步提高了系统的测量速度和稳定性，但是，该模式采用了一块行程为25um的z向压电陶瓷，如此长行程压电陶瓷的谐振频率较低、响应时间较长，容易导致探头与被测样本发生碰撞。

综上，针对离子电流的漂移问题，研究人员分别采用了交流扫描模式和跳跃模式，虽然跳跃模式扫描速度较慢，但其可以对表面高度起伏很大的样本进行扫描，然而驱动探针z方向运动或驱动扫描池z方向运动的压电陶瓷的谐振频率是提高扫描速度的关键。现有文献所采用的方法均是从探针的扫描模式单方面进行了研究，而对机械结构设计尤其是具有谐振功能的扫描池载物台结构优化设计方面关注较少。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种高频振动载物台及基于该载物台的sicm系统和扫描方法，能够避免扫描离子电导显微镜在扫描过程中出现的离子电流漂移问题，提高成像质量和扫描速度。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

包括管状凸缘，管状凸缘上从上往下依次套接上底板、环形压电陶瓷片、环形弹性元件和下底板，上底板和下底板固定相连；管状凸缘的上端有一用于固定样品扫描池的固定底板；上底板和下底板的侧壁上连接用于驱动水平方向运动的xy向压电陶瓷。

进一步地，上底板的下表面设置有用于限制环形压电陶瓷片的第一环形凹槽。

进一步地，下底板的上表面设置有用于固定环形弹性元件的第二环形凹槽。

进一步地，管状凸缘的管壁外侧设置有环形凸台，环形凸台位于环形压电陶瓷片和环形弹性元件之间。

进一步地，上底板和下底板通过螺母和螺栓固定相连。

本发明sicm系统的技术方案是：包括计算机，以及与计算机相交互的微电机控制器和fpga主控制器，微电机控制器连接xy向微电机和z向微电机，xy向压电陶瓷与xy向微电机固定相连，z向微电机和用于驱动扫描探针的长行程压电陶瓷固定相连；fpga主控制器连接压电陶瓷控制器，压电陶瓷控制器与xy向压电陶瓷和长行程压电陶瓷相连；fpga主控制器通过线性电压放大电路和环形压电陶瓷片相连。

本发明扫描方法的技术方案是：

包括以下步骤：

步骤一：将待测样本置于样品扫描池中；

步骤二：通过计算机人机交互界面初始化系统，并实现扫描探针进入距离待测样本为扫描探针尖端开口半径处的位置，并设定扫描参数；

步骤三：在扫描探针与待测样本接近的过程中，对驱动扫描探针的长行程压电陶瓷施加一恒定斜率电压控制信号，对环形压电陶瓷片施加正弦电压控制信号，驱动载物台在z方向高频振动，并通过fpga主控制器的ad模块记录待测样本所在溶液中的离子电流变化，当离子电流减小到设定阈值时，立即对环形压电陶瓷片施加复位电压，同时控制长行程压电陶瓷使扫描探针撤离待测样本，直到离子电流恢复到稳定值；

步骤四：当离子电流趋于稳定后，利用xy向压电陶瓷驱动载物台移动到下一个测量点，进行循环测量。

进一步地，步骤三中，对长行程压电陶瓷施加恒定斜率电压控制信号后，控制扫描探针的z向进给速度在50nm/ms～200nm/ms。

进一步地，步骤三中，对环形压电陶瓷片施加的正弦电压控制信号幅值小于2um，频率>20khz。

进一步地，在步骤二结束后，先对环形压电陶瓷片加载电压使环形压电陶瓷片具有初始伸长量，然后控制长行程压电陶瓷使扫描探针运动到设定的跳跃高度位置，此时扫描探针距离待测样本位置最大，记录该位置离子电流为参考离子电流值；步骤三中的设定阈值为参考离子电流值减小1％后的值。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明通过采用一块环形压电陶瓷片，能够驱动本发明载物台在垂直的z方向作高频振动，从而利用产生的交流反馈信号来限制离子电流漂移，并可极大地提高扫描离子电导显微镜扫描速度；通过采用xy向压电陶瓷驱动本发明在水平x和y方向的移动，本发明能够驱动载物台在垂直方向高频振动和在水平面上前后左右的进给运动，更好地提升扫描探针的上下垂直方向的进给速度及扫描速度，使得扫描探针和扫描池载物台相互协同运动，当扫描探针在垂直z方向上下移动时，此时扫描离子电导显微镜便具有跳跃扫描模式的成像能力，能够在保证成像质量的前提下实现扫描离子电导显微镜的跳跃扫描模式。本发明结合扫描离子电导显微镜的新型扫描模式(交流模式、跳跃模式等)的优势，提出基于多目标进化优化理论、有限元理论和机械优化设计理论的结构设计，设计一种用于扫描离子电导显微镜的高频振动载物台，针对扫描离子电导显微镜在扫描过程中出现的离子电流漂移问题，大幅度提高扫描离子电导显微镜的成像质量和扫描速度。

进一步地，本发明通过设置第一环形凹槽，用于限制环形压电陶瓷片沿半径方向的自由度。

进一步地，本发明通过设置第二环形凹槽，用于固定环形弹性元件。

本发明中首先通过微电机控制器分别控制微电机粗略定位，再通过对长行程压电陶瓷施加恒定斜率电压控制信号，对环形压电陶瓷片施加正弦电压控制信号，如此一来可使扫描探针向待测样本接近的运动是匀速运动和正弦运动的合成运动，协同动作，克服了离子电流的漂移，且此时扫描离子电导显微镜便具有跳跃扫描模式的成像能力，极大地提升了扫描电镜的成像质量和扫描速度，同时有利于扫描探针对待测样本表面更加敏感、降低扫描探针与待测样本表面碰撞的概率。

附图说明

图1是本发明的装配示意图。

图2是图1中b-b剖视图。

图3是图1中c-c局部剖视图。

图4是采用高频振动载物台的sicm系统。

图5(a)是本发明中扫描探针和载物台动作顺序示意图；图5(b)是离子电流变化及压电陶瓷驱动器控制信号图。

其中：1-环形压电陶瓷片，2-环形弹性元件，3-样品扫描池，4-管状凸缘，5-固定底板，6-螺母，7-上底板，8-螺栓，9-下底板，10-xy向压电陶瓷，11-扫描探针，12-电极。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

参见图1至图3，本发明包括管状凸缘4，管状凸缘4上从上往下依次套接上底板7、环形压电陶瓷片1、环形弹性元件2和下底板9。

上底板7和下底板9的中间为圆形通孔，两侧通过螺母6和螺栓8固定相连。管状凸缘4的上端固定安装有一个固定底板5，固定底板5用于固定样品扫描池3；上底板7和下底板9的侧壁上连接用于驱动水平方向，包括x和y方向运动的xy向压电陶瓷10。

上底板7的下表面设置有第一环形凹槽，用于限制环形压电陶瓷片1沿半径方向的自由度。下底板9的上表面设置有用于固定环形弹性元件2的第二环形凹槽。

管状凸缘4的管壁外侧设置有环形凸台，环形凸台位于环形压电陶瓷片1和环形弹性元件2之间。环形弹性元件2可以采用橡胶管或弹簧。

如图4所示，本发明采用高频振动载物台的sicm系统主要由高频振动载物台以及其他定位装置(压电陶瓷和微电机)及控制器、扫描探针11、线性电压放大回路、离子电流放大器、电脑主机、fpga主控制器等组成。其中，xyz三个方向上的微电机用来粗定位扫描探针11到感兴趣的样本区域；而xyz三个方向上的压电陶瓷用来精密定位扫描探针11以及精密测量。待测样品放置于氯化钾溶液中，在氯化钾溶液中放入两个电极12形成离子电流回路，电极12采用银/氯化银电极；其中离子电流放大器用来放大离子电流回路中产生的纳安级离子电流。线性放大回路用于放大由fpga主控制器输出的电压控制信号，电脑主机用来实现可视化扫描过程、参数设定、保存数据等。总之，系统工作过程为：首先通过电脑人机交互界面链接fpga主控制器、初始化微电机和压电陶瓷驱动器；其次在人机交互界面上实现扫描探针11进入距离待测样本为扫描探针11尖端开口半径处，即图5中d＝r处，其中d代表扫描探针11尖端距离样本表面的距离，r代表扫描探针11尖端开口内径，同时设定扫描参数；最后利用系统扫描程序实现样本形貌三维测量，同时可进行数据保存可视化等操作。

计算机主机通过usb连接微电机控制器和fpga主控制器，fpga主控制器三个da模块用来输出控制压电陶瓷驱动器在xyz三个方向上的位移，其中z运动方向上的长行程压电陶瓷pzt2作为压电陶瓷驱动器用来驱动sicm探针在高度方向上的运动，该压电驱动器具有大行程的特点，用来实现复杂形貌样本扫描；xy向压电陶瓷驱动器即xy向压电陶瓷10用来驱动载物台在水平方向前后左右运动。fpga主控制器的另外一个da模块用来连接线性电压放大回路，并利用pzt1驱动载物台z方向高频振动。微电机控制器用来分别控制扫描探针11和载物台x、yz方向上微电机粗略定位。fpga主控制器的ad模块用来采集离子电流回路中经离子电流放大器放大后的电流值，同时实时监控样本与扫描探针11的间距。

整个系统中，控制扫描探针11z向进给的pzt2和控制载物台z向作高频振动的pzt1及检测到的离子电流信号如图5所示。对驱动扫描探针11的长行程压电陶瓷pzt2(行程100um，空载谐振频率500hz左右)施加一恒定斜率电压控制信号，同时对驱动载物台的短行程压电陶瓷pzt1实施正弦信号，如此一来可使扫描探针11向样本接近的运动是匀速运动和正弦运动的合成运动。在此过程中观察离子电流变化，当离子电流减小到设定阈值时，立即对pzt1施加复位电压并使载物台中样本迅速远离扫描探头；同时，控制pzt2使扫描探针11撤离样本直到离子电流恢复到稳定值，从而免于样本与扫描探针11发生接触及碰撞。具体过程参照图5(a)和(b)。其中扫描探针11的动作过程对应a、b、c、d，如图5(a)，相应的pzt2控制信号如图5(b)中a、b、c、d。当离子电流趋于稳定后，利用xy向压电陶瓷10驱动载物台移动到下一个测量点，再次循环测量。可见基于高频振动载物台的sicm系统利用了跳跃模式和交流模式各自的优点。

本发明的高频振动载物台高频振动是在z方向(即高度方向)，而非x和y方向。而驱动载物台在x和y方向运动是由另外大xy向压电陶瓷10驱动的。

本发明主要的工作过程及原理：环形压电陶瓷片1用于驱动样品扫描池3在垂直方向作高频短行程振动(幅值小于2um，频率大于20khz)，上底板7和下底板9之间是管状凸缘4，管状凸缘4上的凸台上表面和环形压电陶瓷片1直接接触，凸台下表面直接和环形弹性元件2接触，整个管状凸缘4嵌入在上底板7、下底板9、环形压电陶瓷片1和环形弹性元件2中间，保证了管状凸缘4可以在环形压电陶瓷片1和环形弹性元件2作用下做垂直方向高频振动；管状凸缘4上方有一圆形的固定底板5，用于固定位于其上的样品扫描池3；整个高频振动载物台连接有一块大的xy向压电陶瓷10，用于驱动高频振动载物台可以在水平面上的x方向和y方向运动。

本发明高频振动载物台不仅可以在垂直方向作高频振动，而且高频振动载物台固定连接在另一块较大的xy向压电陶瓷10上，用于调节载物台在水平面上前后左右移动，即x方向和y方向上的移动，同时扫描探针11只需要在垂直z方向运动，以使扫描离子电导显微镜具有跳跃扫描模式的成像能力。

基于高频振动载物台的sicm系统控制及工作过程为：

对驱动载物台的短行程压电陶瓷pzt1加载电压v1使pzt1具有初始伸长量，控制pzt2使扫描探针11运动到设定的跳跃高度位置，由于此时扫描探针11距离样本位置最大，则此位置处离子电流也最大，记录该位置离子电流为参考离子电流值，设定此时离子电流值为a，此时的离子电流不受扫描探针11距待测样本表面距离影响。对驱动扫描探针11的长行程压电陶瓷pzt2(行程100um，空载谐振频率500hz左右)施加一恒定斜率电压控制信号，对应的z向进给速度50nm/ms～200nm/ms；同时对pzt1施加正弦电压控制信号，幅值小于2um，频率>20khz，在扫描探针11与样本接近的过程中，如此一来可使扫描探针11向样本接近的运动是匀速运动和正弦运动的合成运动。在此过程中观察离子电流变化，当离子电流减小到设定阈值时，设定阈值通常设定到a值减小1％后的值，意味着扫描探针11开始接近待测样本，立即对pzt1施加复位电压v0并使载物台中样本迅速远离扫描探头；同时，控制pzt2使扫描探针11撤离样本直到离子电流恢复到稳定值，从而免于样本与扫描探针11发生接触及碰撞。当离子电流趋于稳定后，利用xy向压电陶瓷10驱动载物台移动到下一个测量点，再次循环测量。上述过程在进一步提高z向进给速度的前提下，同时由于高频载物台的作用，使得该模式对距离更敏感、有利于提高扫描成像速度。避免了扫描探针11由于设定z向进给速度过大而引起的过冲以及碰撞。

本发明高频振动载物台是基于多目标进化优化理论、有限元方法、机械优化设计理论和扫描离子电导显微镜的新型扫描模式(交流扫描模式、跳跃扫描模式等)联合设计的产物；在多目标优化目标函数设计上，在以所述高频振动载物台的材料参数和基本大小尺寸参数作为设计变量，同时最大化高频振动载物台的谐振频率和最小化高频振动载物台的总体质量，以多目标进化优化方法优化后，和得到多个解，从中选出一种最佳优化解，最终实现所述高频振动载物台的总体和结构设计。

在高频振动载物台中常用的零部件候选材料包括有：固定底板5采用有机玻璃、弹性元件2采用橡胶、固定上下底板采用7铝合金、螺母螺栓8采用普通钢等。总体尺寸范围在满足结构紧凑和易于安装制造前提下，最好是和样品扫描池3即培养皿的尺寸附近波动，在35mm。最后基于多目标优化方法设计该高频振动载物台，通过有限元模态分析方法设计使得振动台固有频率足够高，同时质量尽可能小。最终达到适合于扫描离子电导显微镜的高速、稳定成像。

本发明还具有以下优点：

1.在结构设计上，设计一块压电陶瓷用于驱动载物台垂直方向的高频振动和另一块压电陶瓷用于水平面上前后左右的进给运动，更好地提升扫描探针11的上下垂直方向的进给速度及扫描速度，使得扫描探针11和扫描池载物台相互协同运动，最终在保证成像质量的前提下实现扫描离子电导显微镜的跳跃扫描模式。

2.相对于采用直流信号反馈的跳跃扫描模式，本发明在高频振动载物台结构设计基础上采用交流信号反馈，可以更有效地克服离子电流的漂移缺陷，本发明利用多目标优化设计理论和有限元方法同时达到载物台质量最轻而且响应速度快，避免在扫描过程中样本与扫描探针11发生碰撞。本发明基于高频振动载物台的扫描方法依靠短行程、高频率的压电陶瓷进行交流信号反馈，和长行程的搭载扫描探针11的压电陶瓷协同动作，克服了离子电流的漂移后，有利于扫描探针11对被扫样本表面更加敏感、降低探头与样本表面碰撞的概率；本发明基于高频振动载物台的扫描离子电导显微技术能够达到传统的基于扫描离子电导显微镜的跳跃扫描模式和交流模式的优势互补，进而对于复杂形貌表面的三维纳米级测量提供全新的技术支撑。

3.结合机械优化设计理论、多目标进化优化理论和有限元法与扫描离子电导显微镜的先进的扫描模式，如跳跃模式、交流模式等，开发具有谐振能力的扫描池载物台来解决扫描离子电导显微镜的离子电流漂移问题，并提高sicm的成像质量和扫描速度，所提优化设计的结果可以提供多种合理的备选方案，在现有技术基础上进一步提高了扫描电镜的成像质量、扫描速度、对复杂形貌的适应能力等综合能力。

4.为了进一步限制扫描过程中产生的离子电流漂移，本发明采用一块环形压电陶瓷片驱动载物台在垂直方向作高频振动，从而利用产生的交流反馈信号来限制离子电流漂移，并可极大地提高扫描离子电导显微镜扫描速度；另外，设计另一块较大的xy向压电陶瓷10和高频振动载物台相联接，调节xy向压电陶瓷10，因此载物台可在水平x和y方向的移动。当扫描探针11在垂直z方向上下移动时，此时扫描离子电导显微镜便具有跳跃扫描模式的成像能力。本发明在现有技术性能的基础上，极大地提升了扫描电镜的成像质量和扫描速度。