用力大小的模拟信号； 第二模数转换芯片，用于将输入的模拟信号转换为数字信号；
第二控制模块，用于根据转换后的数字信号计算实际作用力与作用力设定值的差值，并根据计算的结果生成用于决定探针升降的数字电压信号；
第二数模转换芯片，用于将生成的数字电压信号为模拟电压信号输出；
所述模拟输入端依次通过第二模数转换芯片和第二控制模块进而与第二数模转换芯片的输入端连接。
[0035]进一步作为优选的实施方式，所述第二控制模块采用中央处理器或数字信号处理器。
[0036]下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
[0037]实施例一
本实施例的扫描探针显微镜在扫描探针显微镜检测成像时，在探针返回扫描路径中，控制探针与样品分离，然后在返回起点后再控制探针与样品接触，开始下一行的正向扫描，如图5所示(实线为正向扫描轨迹，虚线为返回扫描轨迹)。
[0038]从图5可以看出，检测成像时，扫描探针显微镜在一次往返扫描过程的扫描回程中使探针与样品分离，有效消除了针尖的无效磨损或损耗，也降低针尖被样品污染的几率，提高了探针的使用寿命。
[0039]本实施例以原子力显微镜为例，对本发明的实现过程进行说明。
[0040]如图6所示，原子力显微镜通过检测针尖和样品间的微小作用力(一般为10 9N量级的作用力)得到被测样品的表面形貌。该原子力显微镜的探针是一个前端带有纳米级锐度针尖的微悬臂，激光器4发射的入射激光束6打到悬臂梁的前端，而入射激光束6经悬臂梁反射产生的反射激光束7入射到光斑位置检测器5。光斑位置检测器5将光斑的移动转变为电信号，显然该电信号的变化就反映了微悬臂的弯曲变化和针尖与样品间作用力的变化。在扫描过程中，原子力显微镜的控制系统由扫描驱动电路通过输出特定的电压信号，驱动沿X、Y方向扫描的压电陶瓷8和9，控制探针在样品表面进行扫描，而原子力显微镜的反馈控制系统则对光斑位置检测器5的输出信号进行实时检测，并通过反馈控制系统的输出电压信号驱动沿Ζ方向的压电陶瓷10伸缩，自动控制探针上下升降以抵消样品表面的起伏，使探针与样品间的作用力保持恒定。
[0041]其中，原子力显微镜的反馈控制系统工作原理为:控制系统设定一个针尖与样品间的作用力作为反馈控制的目标(即反馈控制系统的参考点)，当针尖与样品间的实际作用力(通过光斑位置检测器5的输出信号检测出来)大于参考点时，反馈控制系统将自动减小输出电压，驱动沿Ζ方向的压电陶瓷10收缩，让探针提升以减小针尖与样品的作用力；反之，当实际作用力小于参考点时，反馈控制系统将自动增大输出电压，驱动沿Ζ方向的压电陶瓷10伸长，让探针下降以增加针尖与样品的作用力。
[0042]为了实现本发明提出的回程空扫描控制方法(即在探针的返回扫描路径中，使控制针尖与样品分离)，原子力显微镜的控制系统实际上只要做到:在扫描驱动电路输出扫描回程的电压时，同步减小由于驱动探针升降的压电陶瓷10的电压，使针尖升高，与样品分离；而在回程完成、开始下一行扫描前，恢复正常的反馈控制即可。
[0043]早期的原子力显微镜采用模拟反馈控制系统，随着数字信号处理技术发展，数字反馈控制系统由于具有更加方便、灵活，可以随时改变反馈策略和能够实现各种先进的反馈算法的优点，目前已逐渐替代模拟反馈系统成为原子力显微镜的主流。下面分别对采用模拟反馈控制系统和数字反馈控制系统这两种结构来实现本发明的具体方案进行说明。
[0044](一)模拟反馈控制系统
本发明的模拟反馈控制系统采用传统的比例-积分-微分(PID，Proport1nIntegrat1n Differentiat1n)控制器，其系统框图如图7所示。
[0045]其中，针尖与样品的作用力由反射光束偏转机构和光斑位置检测器转换为电信号，与参考点设定电路的信号一起输入到由减法器电路13，得到设定作用力与实际作用力的误差信号14 ;该误差信号分别经过比例放大器15、积分器16和微分器17进行模拟信号运算处理后，再经加法器18合并后，输出用于驱动压电陶瓷10调节探针升降的输出信号19，该输出信号19又反过来影响针尖与样品的作用力，形成了一个闭环反馈回路，最终使得针尖与样品的作用力等于系统设定的参考值(即误差信号14为0)。在此反馈回路中，积分器用于提高反馈系统的控制精度，微分器用于加速反馈系统的过渡过程以及改善动态响应。
[0046]对于模拟反馈控制系统来说，其输出电压是模拟运算的结果，为了使针尖与样品分离，可以通过在返回扫描过程改变参考点的设定值来实现。由于参考点决定了针尖与样品间作用力的反馈控制目标，因此，如果减小参考点的设置值，反馈控制系统就会减小输出电压，使探针升高，直至针尖与样品间的作用力减小到与新的参考点作用力一致为止。在极端的情况下，如果将参考点改为负，只要其绝对值大于探针和样品的吸附力，该反馈系统将快速减小输出电压，使探针迅速提起，此时针尖和样品的作用力将由正常成像的排斥力状态过渡到吸附力状态并最终使探针与样品分离。
[0047]其中，模拟反馈控制系统的参考点的调整设定方式有两种，一种采用数模转换芯片DAC，由软件控制输出的模拟量来调整设定，另一种是用户通过安装在显微镜仪器面板的模拟开关来直接调整设定。
[0048]对于第一种形式，回程空扫描控制方法实现起来非常方便，只要对第一控制模块的软件略加修改，在输出扫描回程的驱动电压时同步改变第一数模转换芯片的输出量即可，此时扫描的驱动电压与参考点改变的关系如图9所示。其中，Vx为驱动探针沿X方向扫描的电压大小，其中，实线表示驱动探针进行正向扫描行扫描的电压、虚线表示回程扫描的电压；VY为驱动探针沿Y方向扫描的电压图，从图9可以看出，X方向的驱动电压每完成一次正向扫描，Y方向的驱动电压都会减小一挡，以控制探针移动到下一行。而S0为系统正常检测成像时的参考点大小，用实线来表示；S1为回程空扫描过程的参考点大小，用虚线来表示；扫描时，显微镜的控制系统控制参考点在S0和S1间周期性改变，且与正向扫描行和回程扫描严格同步，以实现回程空扫描。
[0049]对于第二种形式，由于模拟开关不能快速调整且不受软件控制，故其无法与扫描控制同步，但实际上只需对反馈控制系统的参考点设定电路及相应的控制软件进行改造，同样可以实现回程空扫描控制，具体的实现结构如图8所示。实际上，只需在图7原有的参考点设定电路12和减法器电路13之间增加一个切换模拟开关34，并将该切换开关的另一个输入接到用于控制针尖提升的回程空扫描参考点33。控制系统在系统原有的参考点和空扫描参考点这两个参考点信号中，由切换控制信号输入端35来选择哪一个起作用。因此，只需在输出扫描回程的驱动电压时同步控制模拟开关34切换到空扫描参考点，即可实现回程空扫描功能。
[0050]从以上的分析可以看出，针尖与样品的相互作用力是由反馈控制系统闭环控制的，所以通过在返回扫描路径中改变参考点的设置值，既可减小针尖与样品的作用力，也可使针尖与样品完全分离，达到减少或消除针尖无效损耗的目的。由于上述方法中，反馈控制系统一直在起控制作用，因此本发明将该方法称为闭环回程空扫描控制方法。
[0051](二)数字反馈控制系统
数字反馈控制系统采用中央处理器(CPU)或数字信号处理器(DSP)的软件算法来实现反馈控制，其系统框图如图10所示。
[0052]数字反馈控制系统的功能与模拟反馈控制系统相似，反馈控制系统先将表征针尖与样品的作用力大小的模拟信号由第二模数转换芯片22转换为数字量，再由第二控制模块23采用软件算法实时计算数字量与作用力设定值的误差、反馈策略(包括经典的比例-积分-微分控制以及更加复杂的反馈控制)，最后将数字运算结果通过第二数模转换电路24转换为模拟电压输出，驱动压电陶瓷10调节探针的升降，以形成一个闭环反馈回路。
[0053]对于数字反馈系统