专利名称:对月球表面环境就位测量的原子力显微镜检测方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种适用于月球表面环境的原子力显微镜就位测量方法及装置。该就位测量检测装置能够实现对尺寸从微米直至纳米量级的月壤、月岩、砂石等颗粒样品进行微观形貌、大小、硬度、附着力、磨损等方面的研究分析。
背景技术：
20世纪80年代问世的原子力显微镜(AFM)，具有可以观察不导电样品，可在大气、真空及液体环境条件下进行成像观察的优点，体积小、重量轻、能耗低的特点。在高分子材料、纳米材料及表面科学(如半导体材料、催化剂等)以及原子、分子操控等领域得到了广泛应用。原子力显微镜不仅可给出样品表面微观形貌的直观的三维结构信息，而且还可探测样品表面或界面在纳米尺度上表现出来的物理、化学性质，如样品的表面硬度、粘弹性(粘附力)、摩擦学性质、磁畴分布及表面电荷等。20世纪90年代，原子力显微镜已开始应用于环境地质领域中包括矿物的溶蚀、风化现象等在内的矿物表面成像观察与结构研究，为在纳米尺度以及原子、分子高分辨成像等更高层次水平上深入直观地探究环境微界面过程的作用机理奠定了基础。
月球表面为10-14大气压(10-9Pa)，几乎没有大气层和大气活动，没有大气的热传导，所以月球表面白天与夜晚的温差很大，自昼温度为130～150℃，太阳不能照射到的阴影区和夜晚期间的月球表面温度为-180～-150℃。因此为实现月球表面测试分析，移动勘察、就地取样、现场测试、数据处理和控制得到月球表面各种微米、纳米尺度的物质形貌、结构，应发展一种能适用于超高真空、温度变化为-180～+150℃的月球表面特殊环境条件下工作的遥控智能原子力显微镜系统。
通过移动勘察、就地取样、现场测试、数据处理和控制，在月球表面超高真空、高温、低温等环境下探测月球表面物质的真实自然状态；对月球表面环境下尺寸从微米直至纳米量级的月壤、月岩、砂石等颗粒样品进行微观形貌、尺寸、硬度、附着力、磨损等物质形貌、结构及性质方面的研究分析，了解对月球车齿轮等机械运动部件的影响及陷入月壤的深度等，为建立月球空间站等提供必要的数据；月球表面就地分析磨去表面风化层，探测物质外表面与内部的差别，避免在月球物质带回地球及在地表环境下制备样品过程中带来的污染。推动类空间环境条件下物质与材料的研究，深化对月岩、月壤结构的认识，为未来的太空物质研究提供科学依据和方法。
在现有技术中，公开号CN1445790A中介绍了一种卧式原子力显微镜探头，其说明书中明确的介绍了原子力显微镜的工作原理及其器件结构。在公开号CN1632519A中介绍了一种安装于原子力显微镜微悬臂上的位移测量装置，该位移测量装置采用了光学差动式角度传感器，其优点在于扩大了被测物体的扫描范围。原子力显微镜的核心部件是由扫描与反馈控制器和光电检测系统组成的探头，所述探头直接影响原子力显微镜的检测分辨率、检测精度、扫描范围及信噪比等性能。所述扫描与反馈控制器一般由XYZ压电陶瓷及样品台组成，所述光电检测系统一般由微悬臂探头、激光器及位置敏感元件(PSD)组成，在原子力显微镜中采用对微弱力极其敏感的微悬臂探头作为力传感器。
上述原子力显微镜，本身存在一些局限性，不能够用于月球表面环境的就位测量，主要原因是扫描范围较小；利用激光测量等外加测量装置检测微悬臂的形变，操作不方便，不能实现自动遥控测量；体积较大；采用扫描器驱动样品对探针扫描的工作方式，对样品的尺寸有所限制，需要特别制备样品；对环境温度要求严格等。
我们提出一种可以对月球表面环境进行就位测量的原子力显微镜检测方法及装置。该装置以自感知微悬臂做为传感器测量待测样品和探针之间的作用力；以大范围扫描器驱动微悬臂探针实现对样品表面的大范围扫描；采用轻敲/相位模式获取表面三维形貌图像；装置具有体积小，可自动操作，便于携带，不需要特殊样品制备，具有微悬臂探针自检测与自动更换功能；适应超高真空及高低温变化的工作环境的特点。
发明内容
本发明的目的是提供一种对月球表面环境进行就位测量的原子力显微镜检测方法及装置，该就位测量检测装置的信号处理及控制系统主要包括以DSP为核心的控制电路，对微悬臂形变进行检测的精密前置放大电路及信号检测与处理电路、反馈控制电路、图像存储电路，以及微悬臂扫描控制、微悬臂探针和样品的粗、细逼近控制、微悬臂的振荡控制电路；该系统采用自感知微悬臂，以替代传统的光学检测式微悬臂。通过检测出微悬臂形变时其自身的电阻值或电压值的改变，从而测量出不同微悬臂形变时输出的不同电信号，进而获得样品表面形貌。
本发明所述的一种对月球表面环境进行就位测量的原子力显微镜检测装置，包括探头、信号检测与处理电路、微处理器，还包括对探头进行控制的控制电路和反馈控制电路。所述控制电路向探头的三维扫描器输出X-Y方向的电压信号，由三维扫描器驱动微悬臂对月球表面物质进行扫描，微悬臂在扫描过程中发生形变，形变量的大小由信号检测与处理电路测得，再输出至反馈控制电路，经反馈控制电路送入微处理器。
所述的就位测量的原子力显微镜检测装置，其微处理器通过I/O口控制探针检测与更换处理电路和微悬臂逼进，微处理器通过频率转换器V/F输出微悬臂振荡信号至探头，微处理器通过D/A转换器输出X-Y方向控制信号和输出Z方向控制信号至探头，信号检测与处理电路输出微悬臂的形变量大小，再经A/D转换器至微处理器。
所述的就位测量的原子力显微镜检测装置，其就位测量的检测方法是(A)采用自感知微悬臂作为原子力显微镜的力敏感元件，微悬臂形变时其自身的电阻值或产生的电压值会改变，通过信号检测与处理电路检测微悬臂的电阻变化或电压变化，获得一个表征微悬臂形变量的电信号；微悬臂采用轻敲的工作模式，一压电陶瓷片驱动微悬臂以其共振频率振动；(B)以粗进和细进两种功能实现微悬臂与月球表面物质的逼近，粗进和细进分别通过控制步进电机、控制音圈马达等来实现；当微悬臂和月球表面物质接近到原子力显微镜的工作范围，微悬臂的振幅或位相将发生改变；将该振幅或位相值的改变检测出来，送入反馈控制电路，进而控制三维扫描器，以保持振幅或位相为一定值；(C)通过三维扫描器控制微悬臂实现对月球表面物质的X-Y向扫描，扫描范围从0.1μm×0.1μm到800μm×800μm；(D)为了保证正常工作，微悬臂做成一维阵列式，对于样品有一倾斜角度，对于已损坏的微悬臂探针，可进行自动更换。
本发明所述的就位测量的原子力显微镜的优点在于采用自感知自检测微悬臂，不用外加微悬臂测量装置；采用精密前置放大及信号检测与处理电路检测出微悬臂形变的大小；具有微悬臂探针自检测与自动更换功能；仪器装置小巧，简单；具有高的测量稳定性和测试精度；装置的外型尺寸小于Φ120×30；能够适应高低温及超高真空环境；可以工作于月球表面环境中，实现对月球表面物质的就位测量。
图1是本发明检测装置的测量原理示意图。
图2是微处理器与其它部件的连接示意图。
图3是阵列式微悬臂结构图。
图4是本发明检测装置的工作流程图。
图中1.微悬臂 2.陶瓷片 3.三维扫描器 4.月球表面物质 5.控制电路 6.反馈控制电路 7.信号检测与处理电路 8.微处理器 801.探头检测与更换处理电路 802.微悬臂粗逼进 803.微悬臂振荡信号 804.X-Y方向控制信号 805.Z向控制信号具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
本发明是一种在月球表面环境进行就位测量的原子力显微镜检测方法及装置，以压阻式或压电式微悬臂1作为自感知力传感器，微悬臂1发生形变时，自身的电阻值或电压值将改变，通过信号检测与处理电路7，将变化的电量值检测出即可确定微悬臂1的形变。自感知微悬臂1在压电陶瓷片2的激励作用下以固有谐振频率在月球表面物质4上轻敲振动，微悬臂1的针尖在每一次上下振荡的过程中，底部均与月球表面物质4轻轻接触。这种接触非常短暂，不会对月球表面物质4有损伤。当探针接近月球表面物质时，微悬臂1与月球表面物质4的相互作用力使探针的振幅值及位相发生变化。控制该振幅值就可以控制探针在每次振荡过程中与月球表面的作用力。反馈控制电路6是通过调节三维扫描器3，使其在作X-Y扫描时，根据月球表面物质的上下起伏而上下移动，从而使振幅值在扫描过程中保持不变。月球表面物质每一点处扫描器的起伏信息由计算机记录，经信号转换处理后获得月球物质表面形貌图像，也可以根据相位的变化得到月球表面物质的相位图像，其测量原理如图1所示。
本发明的在月球表面环境下进行就位测量的原子力显微镜检测装置，包括探头、信号检测与处理电路7、微处理器8和对探头进行控制的控制电路5和反馈控制电路6，所述控制电路5输出X-Y方向的电压信号给探头的三维扫描器3，由三维扫描器3驱动微悬臂1对月球表面物质4进行扫描，微悬臂1在扫描过程中发生形变，形变量的大小由信号检测与处理电路7测量出并输出至反馈控制6，经反馈控制6送入微处理器8。
本发明的进行就位测量的原子力显微镜检测装置的检测方法是(A)采用自感知微悬臂1作为原子力显微镜的力敏感元件，微悬臂1形变时其自身的电阻值或产生的电压值会改变，通过信号检测与处理电路7检测微悬臂1的电阻变化或电压变化，获得一个表征微悬臂1形变量的电信号；微悬臂1采用轻敲的工作模式，压电陶瓷片2驱动微悬臂1以其谐振频率振动；(B)以粗进和细进两种功能实现微悬臂1与月球表面物质4的逼近，粗进和细进分别通过控制步进电机、控制音圈马达等来实现；当微悬臂1和月球表面物质4接近到原子力显微镜的工作范围，微悬臂1的振幅或位相将发生改变；将该振幅或位相值的改变检测出来，送入反馈控制电路6，进而控制三维扫描器3，以保持振幅或位相为一定值；(C)通过三维扫描器3控制微悬臂1实现对月球表面物质4的X-Y向扫描，扫描范围从0.1μm×0.1μm到800μm×800μm；(D)为了保证正常工作，微悬臂1做成一维阵列式的，其相对于月球表面物质4有一倾斜角度，对于微悬臂1中损坏的探针，采用探针检测与更换系统进行自动更换。
本发明的原子力显微镜检测装置有如下特点1、采用压阻式或压电式自感知微悬臂，以替代传统的光学检测式微悬臂。特点是，微悬臂形变时其自身的电阻值或电压信号值会改变，通过检测其电阻的或电压的变化以检测微悬臂的形变，不用外加检测装置；2、悬臂采用轻敲/相位的工作模式；3、通过控制微悬臂的扫描来实现原子力显微镜对月球表面物质的扫描，X-Y向的最大扫描范围可达到800μm×800μm；4、采用阵列式的微悬臂，其相对于月球表面物质有一倾斜角度。当用于成像的微悬臂探针损坏后，采用一特殊装置将其清理，用紧邻的下一个微悬臂继续工作；5、将采集的图像进行存储，然后发回地球；仪器的操作，完全是遥控操作，自动完成。
本发明的就位测量的原子力显微镜检测装置能在月球表面的超高真空条件下，即真空度为10-14大气压(10-9Pa)下正常工作；能在月球表面温度为-180～+150℃的条件下正常工作；能在月球表面宇宙线及太阳风强辐射条件下工作，具有自检测、自保护功能，并对元器件进行冗余配置；能经受火箭发射及着陆月球表面时的6g的加速度；能进行自检、自控、自恢复、计算机控制，能在地球上进行遥控操作；探头体积小于Φ120×30，重量低于500克，能耗少于10W，能作为软着陆平台及月球车上的有效载荷。
图2为本发明的系统框图。自感知微悬臂1输出的变化电信号经信号检测与处理电路7后测量出微悬臂振动幅度或相位的变化，由A/D转化电路输入到微处理器单元8。在微处理器单元8内，进行软闭环PID及信号处理计算，计算量经D/A转换后，输出Z向控制信号805控制三维扫描器的Z向分量，以保持微悬臂振动幅度或相位为一常值。微处理器单元8内输出正弦振荡信号驱动压电陶瓷片2，进而带动微悬臂以其谐振频率振荡。通过输出一定电压信号到三维扫描器3的X-Y向，控制微悬臂1在X-Y向扫描。
图3为阵列式微悬臂示意图。该阵列微悬臂1由4～10个带针尖的自感知微悬臂探针组成。当在月球表面物质4上扫描时，如果一个损坏了，可以依次接着使用相邻的下一个。
图4为系统工作程序框图。在原子力显微镜被放置到月球表面上后，系统首先进行初始化，然后进行系统自检，在确认一切正常后，开始对微悬臂探针进行自检，如果有一个探针已损坏，则对损坏探针进行自动更换，直到确认微悬臂探针一切正常后，进入工作状态，对微悬臂探针启动振荡。启动自动进针功能，实现微悬臂探针和月球表面物质的逼近，进入原子力作用范围，在系统软闭环工作状态下，三维扫描器Z向控制微悬臂。然后系统进入X-Y向扫描工作状态。计算机采集三维扫描器的X-Y向电压信号和Z向电压信号，存入图像存储器，等待命令发送到月球车，再传输到地球。
权利要求
1.一种对月球表面环境进行就位测量的原子力显微镜检测装置，包括探头、信号检测与处理电路7、微处理器8，其特征在于还包括对探头进行控制的控制电路5和反馈控制电路6，所述控制电路5输出X-Y方向的电压信号给探头的三维扫描器3，由三维扫描器3驱动微悬臂1对月球表面物质4进行扫描，微悬臂1在扫描过程中发生形变，形变量的大小由信号检测与处理电路7测量出并输出至反馈控制电路6，经反馈控制电路6送入微处理器8。
2.根据权利要求
1所述的就位测量的原子力显微镜检测装置，其特征在于所述微处理器8通过I/O口控制探针检测与更换处理电路801和微悬臂粗逼进802，微处理器8通过频率转换器V/F输出微悬臂振荡信号803至探头，微处理器8通过D/A转换器输出X-Y方向控制信号804和输出Z方向控制信号805至探头，信号检测与处理电路7输出微悬臂的形变量大小经A/D转换器至微处理器8。
3.根据权利要求
1所述的就位测量的原子力显微镜检测装置，其特征在于所述微处理器8选取TMS320C系列芯片，D/A转换器芯片型号DAC8412，A/D转换器芯片型号AD7532。
4.根据权利要求
1所述的就位测量的原子力显微镜检测装置，其特征在于就位测量的检测方法是(A)采用自感知微悬臂1作为原子力显微镜的力敏感元件，微悬臂1形变时其自身的电阻值或电压信号值会改变，通过信号检测与处理电路7检测微悬臂1的电阻变化或电压变化，获得一个表征微悬臂1形变量的电信号；微悬臂1采用轻敲的工作模式，一压电陶瓷片2驱动微悬臂1以其共振频率振动；(B)以粗进和细进两种功能实现微悬臂1与月球表面物质4的逼近，粗进通过控制三维扫描器3中的步进电机实现，细进由控制音圈马达来完成；当微悬臂1和月球表面物质4接近到原子力显微镜的工作范围，微悬臂1的振幅或位相将发生改变；将该振幅或位相的改变检测出来，送入反馈控制电路6，进而控制三维扫描器3，以保持振幅或位相为一定值；(C)通过三维扫描器3控制微悬臂1实现对月球表面物质4的X-Y向扫描，扫描范围从0.1μm×0.1μm到800μm×800μm；(D)为了保证正常工作，微悬臂1做成一维阵列式的，其相对于月球表面物质4有一倾斜角度，对于微悬臂1中损坏的探针，采用探针检测与更换系统进行自动更换。
5.根据权利要求
1所述的就位测量的原子力显微镜检测装置，其特征在于能在月球表面的超高真空条件下，即真空度为10-14大气压(10-9Pa)下正常工作。
6.根据权利要求
1所述的就位测量的原子力显微镜检测装置，其特征在于能在月球表面温度为-180～+150℃的条件下正常工作。
7.根据权利要求
1所述的就位测量的原子力显微镜检测装置，其特征在于能在月球表面宇宙线及太阳风强辐射条件下工作，具有自检测、自保护功能，并对元器件进行冗余配置。
8.根据权利要求
1所述的就位测量的原子力显微镜检测装置，其特征在于能经受火箭发射及着陆月球表面时的6g的加速度。
9.根据权利要求
1所述的就位测量的原子力显微镜检测装置，其特征在于能进行自检、自控、自恢复、计算机控制，能在地球上进行遥控操作。
10.根据权利要求
1所述的就位测量的原子力显微镜检测装置，其特征在于探头体积小于Φ120×30，重量低于500克，能耗少于10W，能作为软着陆平台及月球车上的有效载荷。
专利摘要
本发明公开了一种对月球表面环境进行就位测量的原子力显微镜检测方法及其装置，包括探头、信号检测与处理电路、微处理器，还包括对探头进行控制的控制电路和反馈控制电路，所述控制电路向探头的三维扫描器输出X－Y方向的电压信号，由三维扫描器驱动微悬臂探针对月球表面物质进行扫描，微悬臂在扫描过程中发生形变，形变量的大小由信号检测与处理电路测得，再输出至反馈控制电路，经反馈控制电路送入微处理器。本发明采用自感知微悬臂，其形变量的测量由精密前置放大及信号检测与处理电路实现；采用阵列式微悬臂并有对已损坏微悬臂探针进行自检测和自动置换的功能；以大范围扫描器驱动微悬臂探针实现对月球表面物质的大范围扫描；采用轻敲/相位模式获取月球表面物质三维形貌图像；装置体积小，可自动操作；能够适应超高真空及高低温变化的工作环境。
文档编号G01Q60/24GKCN1821743SQ200610065831
公开日2006年8月23日 申请日期2006年3月27日
发明者姚骏恩, 陈强, 钱建强 申请人:北京航空航天大学导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan