专利名称:液体中扫描探针显微镜探针灵敏度提升装置的制作方法
液体中扫描探针显微镜探针灵敏度提升装置技术领域：
本实用新型涉及超精密讯号测量装置的领域，如水溶液的扫描探 针显微镜与水溶液的原子力显微镜，特别是指一种液体中扫描探针显 微镜探针灵敏度提升装置。
背景技术：
先前的原子力显微镜技术皆仅适用于空气中的操作模式。如中国台湾专利公告第00103159号，载明原子力显微镜及以原子解析度显 映表面的方法，对于水溶液中与真空的使用环境所可能产生的问题及 相对应的解决办法，于该专利中并未提及。此外，先前的原子力显微 镜的解决办法，于该专利中并未提及。此外，先前的原子力显微镜的 技术如中国台湾专利7>告第00435701号与第D103627号所记载的技 术皆仅止于空气中的纳米显微技术，并无述及如本实用新型所提的于 水溶液中或是真空中时的使用方法。综合言之，如以上述专利所提的方法操作于水溶液中，探针的灵 敏度变差，将无法达到纳米级的解析度。
实用新型内容
本实用新型的目的，是提供一种液体中扫描探针显微镜探针灵敏 度提升装置，可提高探针的灵敏度，改善探针于不同环境中灵敏度过 大或过小的现象，并维持探针扫描过程的稳定性。为达上述目的，本实用新型的解决方案是 一种液体中扫描揮:针 显微镜探针灵敏度提升装置，包括有一中央控制单元，用以产生特定频率与特定震幅的弦波信号所对应的数位控制讯号，决定揮:针的工作频率与工作震幅，并用以监控感测器的连续震幅与相位改变；一探针致动器、探针、与探针震幅信号侦测电路，用以产生探针 工作所需的特定频率弦波讯号，以驱动探针，并以探针震幅信号侦测器侦测揮:针受特定频率与特定震幅的弦波信号激震之后的震幅，上述 的数位控制讯号馈入一数值控制型震荡器，产生探针工作所需的特定 频率与特定震幅的微类比弦波讯号，以驱动探针，该微类比弦波讯号并作为相位差测量所需的参考弦波信号；一探针震幅信号的讯号转换器、放大器、与滤波器电路，用以将 探针受特定频率与特定震幅的弦波信号激震之后的输出弦波信号进行适当的讯号转换，信号震幅放大、与信号杂讯滤波的处理；一相位移动电路，用以将上述经处理过的测量弦波信号进行适当 的相位移动；一弦波信号转换电路，用以将上述经相位移动过的测量弦波讯号 与参考弦波信号间的相位差信号转换成与相位差相关的电压信号，此 外亦将上述的测量弦波信号转换成相对应的直流电压信号；一探针灵敏度控制器，用以对上述的测量弦波信号进行适当的相 位移动与震幅放大之后再馈入信号加法器；一高精度类比至数位转换器，用以将上述的相位差类比输出电压信号与测量弦波信号相对应的直流电压信号转换为相对应的数位信号，并送至中央处理单元进行数据分析与监控。上述探针致动器、探针、与探针震幅信号侦测电路，包括以一 超高频率解析度的数值控制型震荡器产生工作所需的特定频率与特定震幅的弦波信号，并将该信号馈入探针致动器藉以致动揮:针产生特 定频率与特定震幅的震动，使探针工作于敏感度最佳的谐振频率附近，则探针对于外在物理量的改变的灵敏度最佳，此外探针受特定频 率与特定震幅的弦波信号激震后的震幅输出信号由一探针震幅信号 侦测电路侦测，上述的周期性特定频率与特定震幅的弦波工作信号亦 送入第二相位移动器，作为一测量所需的参考信号。上述探针震幅信号的讯号转换器、放大器、与滤波器电路，包括 一探针震幅信号的讯号转换电路，将探针所感测到的物理量改变如电 流、探针震幅、探针的表面压阻值、探针与样品间的电容值、探针与 样品间的磁力、探针与样品间的静电力转换成电压信号，并将该电压 信号经适当的前置放大器放大以利观测，并经滤波电路作为电器、环 境杂讯滤除之用。上述相位移动电路，包括 一类比式低成本的相位移动装置，用 以将测量所需的参考弦波信号与探针所感测到的测量弦波信号做适 当的相位移动，以得到最佳的相位差至电压转换的增益。上述弦波信号转换电路，包括 一类比式的相位差侦测器，采用 乘法定理藉以侦测两馈入的周期性波的相位差，并将相位差转换成电 压信号，用以将上述经相位移动过的测量弦波讯号与参考弦波信号间 的相位差信号转换成与相位差相关的电压信号； 一方均才艮值转换器， 用以将上述的测量弦波信号转换成相对应的直流电压信号，藉以动态 的观测因外在物理量改变所造成的探针震幅变化。上述探针灵敏度控制器，包括 一回馈可调式相位移动器，藉以 将第一相位移动器的输出信号再做适当的相位移动，此一相位移动的大小可针对不同制程的揮:针、不同的工作环境，不同的工作频率进行 动态调整； 一回馈可调式震幅放大器，用以将回馈可调式相位移动器 的输出信号再做适当的震幅放大处理； 一信号加法器，用以将回馈可 调式震幅放大器的输出信号与数值控制型震荡器的输出弦波信号相 加之后再々赍入探针致动器藉以致动探针，如此可以藉由探针震幅回馈 的方式调整探针于特定工作频率的灵敏度。上述高精度精度类比至数位转换器包括 一高解析度且多通道的 类比至数位转换器，用以将上述与相位差相关的电压信号及与揮:针震 幅相关的电压信号转换成中央控制单元可判读的数位信号，进行信号 分冲斤、处理、与，见测。采用上述装置，将探针振幅的输出信号经过适当的相位移动与振 幅放大之后与探针原始激振信号相加，成为一新的探针震源信号再馈入探针致动器，这种动态回馈的方式，有效提升了揮:针的谐振因子， 进而提升探针的灵敏度，其优点在于经灵敏度提升后的探针的谐振因 子高，轻微的原子力作用即可以使探针震幅产生较大的改变，因此对 于纳米级的微结构将可进行有效的侦测。
图i为本实用新型的液体中扫描探针显微镜探针灵敏度提升装 置简图；第2为本实用新型的探针致动器、探针、与探针震幅信号侦测电 路方块图；图3为本实用新型的感测讯号转换、放大、与滤波电路方块图；图4为本实用新型的相位移动电路方块图；图5为本实用新型的弦波信号转换电路方块图；图6为本实用新型的探针灵敏度控制器方块图。主要元件符号说明1中央控制单元 2数值控制型震荡器3探针致动器 4探针5四象限光侦测器 6电流至电压转换器7前置放大器 8低通滤波器9第一相移器 IO第二相移器11方均一艮值转换器 12相位差侦测器13高精度类比至数位转换器14回馈可调式相位移动器具体实施方式
下面结合附图对本实用新型做详细说明 如图1~图6所示中央控制单元1，用以产生特定频率与特定震幅的弦波信号所对 应的数位控制讯号，决定探针的工作频率与工作震幅；此一中央控制 单元并用以监控感测器的连续震幅与相位改变。数值控制型震荡器2可以藉由中央控制单元1控制直接产生检测 所需的特定频率与特定振幅的弦波信号，此一弦波讯号一方面馈入第 二相移器作为一测量用的参考讯号，另一方面亦将此一讯号送至信号 加法器16，此一方式较先前的技术优点在于控制方式较简单，仅需 一颗数值控制震荡器2即可完成，成本较低。信号加法器16是将上述的数值控制震荡器2输出的特定频率与 特定振幅的弦波信号与回馈可调式振幅放大器15的输出信号相加之 后，再输出至探针致动器3藉以致动探针4;此与传统原子力显微镜 的致动探针信号单纯的仅由信号产生器产生有很大的不同。探针4工作于水溶液中进行样品检测时，受外在物理量改变如温 度、压力、湿度、与作用力等因素的影响将产生对应性的形变，所产 生的形变将导致测量弦波信号的相位与振幅改变。探针的震幅与相位输出信号将经四象限光侦测器5、电流至电压 转换器6、前置放大器7、与低通滤波器8之后，再经第一相移器9 进行适当移相之后，再经回馈可调式相位移动器14移相，并经回馈 可调式振幅放大器15放大之后再馈入信号加法器16。探针的震幅输出信号经回馈可调式相位移动器14移相，并经回 馈可调式振幅放大器15放大后的信号，再馈入信号加法器与数值控 制型震荡器所产生的弦波信号相加之后再作为探针的激震信号，如此 可以动态的于特定频率改变探针的灵敏度。上述的回馈可调式相位移动器14与回馈可调式振幅放大器15即 为创作人所谓的探针灵敏度控制器。藉由动态回馈的方式，将探针的 震幅输出信号经适当的回馈探针灵敏度控制器的机制再馈入信号加 法器，藉以动态的补偿探针于工作频率的灵敏度，此一部分的技术与 观念为本案所提技术的重心，先前发表的专利技术并无此一讯号处理 的技术。上述的回馈可调式相位移动器14与回馈可调式振幅放大器15, 皆为动态可调的装置，其优点在于动态可调的机制可以依据不同的工 作环境、不同才几械性质的探针进行动态补偿调整。上述动态补偿的技术，可以有效的提升探针的谐振因子，探针的 谐振因子的大小将影响探针的检测灵敏度；因此本实用新型核心技术7即在于动态的调整回馈可调式相位移动器14与回々赍可调式振幅;改大 器15，藉此提升探针的谐振因子，并进而达成提升探针灵敏度的目 的。此一部分的技术与观念为本案所提技术的重心，先前发表的专利 技术并无此一讯号处理的技术。如图1所示，以上述的构件，于使用实施时由中央控制单元1产生凄欠位控制讯号藉以控制凄W直控制型震荡 器2产生特定震幅与特定频率的弦波讯号/;xeiteU)=A itecos (ca。rt ;将此/^ueU)信号送至第二相移器10，进行适当的相位移动，做 为测量探针驱动信号与震幅输出信号的相位差测量的参考信号；亦将数值控制型震荡器2的输出信号送至信号加法器16,将信 号加法器16的输出信号送至揮:针致动器3藉以驱动揮:针4产生特定 震幅与特定频率的震动；当测量扫描用探针4于运作时因受外在物理量改变所产生的形 变，探针将产生对应性的形变。此一形变将于四象限光侦测器5产生 对应性的位移改变，此一位移改变将于四象限光侦测器5的输出产生 相对应的电流改变；将四象限光侦测器5的测量电流改变经电流至电压转换器6,即 可以将感测器所测量到的物理量改变转换成相对应的电压讯号；将电流至电压转换器6的电压讯号经前置放大器7 ;改大后馈入低 通滤波器8,即可得到揮4十的震幅输出测量信号/;U)-Acos(co。&A eu))，因创作人以特定震幅与特定频率的讯号驱动探针，因此探针 的震幅输出将产生与驱动讯号同频率的讯号；将量测讯号尺U)馈入第一相移器9经处理之后可得一震幅与 /;U)—致的讯号^cos广co。"^i 0 ^将上述的测量讯号Acos (coJ+A 6 (7> △ ^)与参考测量讯号 JMCitecos (coj +」<92)送入相位差侦器11，即可以连续的将输入的两讯号/m u)和/;Mue (rt的孩t相位差转换成相对应的电压讯号/e u)。 可以预知的，当前述的探针感应到外在的应力、温度、湿度等物理量 的改变，将于测量讯号/:u)产生对应的相位改变，电压讯号/eu)亦将相对应的改变；将第一相移器9的输出讯号Acos 6
△ ^)送至方均根值转换器，即可以将输出弦波讯号转为相对应的直流电压讯号非接解式原子力显微镜于实际操作时会先对探针进行扫频，亦即 数值控制型震荡器2输出的频率讯号会一直改变并馈入探针，此时方 均根值转换器11与相位差侦测器12输出的力W与/eU)讯号会随 着频率相对的改变；将方均根值转换器11与相位差侦测器12输出的/Jd与/e (rt讯号送至高精度类比至数位转换器13，即可以将相位改变与震幅改 变的类比讯号转换成中央控制单元1可判读的数位讯号，并送至电脑进行数据分析；亦将第一相移器9的输出讯号输出至回馈可调式相位移动器14， 即可得一信号为Acos rcoJ+Zl 6
」0,夂—J的讯号， 为回馈可调式相位移动器14的可调相位角；将回馈可调式相位移动器14的输出讯号送至回馈可调式震幅放 大器15可得一为C细Acos 6)"+」6
」夂拳J的信号， 其中A—,为可调增益值；将上述6U""^cos ^"^1 6 J 0, ^拳,与数值控制型震 荡器2馈入信号加法器16相加之后，再馈入探针致动器3以驱动探 针，如此可以藉由调整&一与6U^之值，于探针的工作频率有效的 调整探针的灵敏度。本实用新型的优点在于可即时的以纳米级的解析度，解析样品的 三维结构，尤其适用于水溶液中与真空中；因原子力显孩t镜的探针进 入水溶液中之后，探针的灵敏度受制于与水溶液间作用力的影响而变 差，因此本创作人提出一探针灵敏度控制装置；藉此可以提升探针于 水溶液中对纳米级的物理量改变所造成的探针相位变化与探针震幅 变化的敏感度，藉由分析与观测此一电压讯号的变化，即可反推待测 样品的表面形貌结构，亦或是感测器周边的温度、湿度、与压力的改 变；此一感测装置应用范围较广，较先前技术可以测量更多的物理量 的纳米级改变，并不局限于纳米级的形貌;f企测。
权利要求
1. 一种液体中扫描探针显微镜探针灵敏度提升装置，其特征在于包括有
一中央控制单元，产生特定频率与特定震幅的弦波信号所对应的数位控制讯号，决定控针的工作频率与工作震幅，并监控感测的连续震幅与相位改变；
一探针致动器、探针、与探针震幅信号侦测电路，用以产生探针工作所需的特定频率弦波讯号，以驱动探针，并以探针震幅信号侦测器侦测探针受特定频率与特定震幅的弦波信号激震之后的震幅，上述的数位控制讯号馈入一数值控制型震荡器，产生探针工作所需的特定频率与特定震幅的微类比弦波讯号，以驱动探针，该微类比弦波讯号并作为相位差测量所需的参考弦波信号；
一探针震幅信号的讯号转换器、放大器、与滤波器电路，与探针致动器、探针、与探针震幅信号侦测电路衔接，以接收探针震幅信号侦测电路的输出讯号，并将探针受特定频率与特定震幅的弦波信号激震之后的输出弦波信号进行适当的讯号转换，信号震幅放大、与信号杂讯滤波的处理；
一相位移动电路，与探针震幅信号的讯号转换器、放大器、与滤波器电路衔接，包括一第一相移器与一第二相移器，该第一相移器将上述探针震幅信号的讯号转换器、放大器、与滤波器电路输出的测量弦波信号进行适当的相位移动，该第二相移器将上述参考弦波信号进行适当的相位移动；
一弦波信号转换电路，与相位移动电路衔接，包括一相位差侦测器与一方均根值转换器，该相位差侦测器将上述经第一相移器处理过的测量弦波讯号与经第二相移器处理过的参考弦波信号间的相位差信号转换成与相位差相关的电压信号，该方均根值转换器将上述的测量弦波信号转换成相对应的直流电压信号；
一探针灵敏度控制器，与相位移动电路衔接，包括一回馈可调式相位移动器、一回馈可调式震幅放大器、与一信号加法器，该回馈可调式相位移动器与第一相位移动器衔接，接收第一相移器的输出信号，对该输出信号进行适当的相位移动，再输入回馈可调式震幅放大器进行适当的震幅放大之后再馈入信号加法器；
一高精度类比至数位转换器，与弦波信号转换电路衔接，将弦波信号转换电路输出的信号转换为相对应的数位信号，并送至中央控制单元进行数据分析与监控。
2、 如权利要求
1所述的液体中扫描探针显微镜探针灵敏度提升 装置，其特征在于所述探针致动器、探针、与探针震幅信号侦测电路，包括 一数值控制型震荡器、 一探针致动器、 一探针、 一四象限 光侦测器，该数值控制型震荡器产生工作所需的特定频率与特定震幅 的弦波信号，并将该信号馈入探针致动器藉以致动探针产生特定频率 与特定震幅的震动，探针受特定频率与特定震幅的弦波信号激震后的 震幅输出信号由 一四象限光侦测器侦测，该数值控制型震荡器产生的 特定频率与特定震幅的弦波工作信号送入第二相位移动器，作为一测 量相位差时所需的参考弦波信号。
3、 如权利要求
1所述的液体中扫描探针显微镜探针灵敏度提升装置，其特征在于所述探针震幅信号的讯号转换器、放大器、与滤波器电路，包括 一电流至电压转换器、 一前置放大器、 一低通滤波器，该电流至电压转换器是将探针所感测到的物理量改变转换成电压信号，并将该电压信号经前置放大器放大，并经低通滤波器电路进行 电器与环境杂讯滤除。
4、 如权利要求
1所述的液体中扫描探针显微镜探针灵敏度提升 装置，其特征在于所述相位差侦测器采用乘法定理以侦测参考弦波 信号与测量弦波信号的相位差，并将相位差转换成与相位差相关的电 压信号。
5、 如权利要求
1所述的液体中扫描探针显微镜探针灵敏度提升 装置，其特征在于所述高精度类比至数位转换器包含一高分辨率且 多信道的类比至数位转换器，将上述与相位差相关的电压信号及与探 针震幅相关的电压信号转换成中央控制单元可判读的数位信号。
专利摘要
一种液体中扫描探针显微镜探针灵敏度提升装置，该装置包括有一中央控制单元；一探针致动器、探针、与探针震幅信号侦测电路；一探针震幅信号的讯号转换器、放大器、与滤波器电路；一相位移动电路；一弦波信号转换电路；一探针灵敏度控制器；一高精度类比至数位转换器等，其原理为将探针震幅的输出信号经过适当的相位移动与震幅放大之后与探针原始激振信号相加，成为一新的探针震源信号再馈入探针致动器，这种动态回馈的方式，可有效提升探针的谐振因子，进而提升探针的灵敏度，不论是在空气中、液体中或真空中，轻微的原子力作用即可以使探针震幅产生较大的改变，因此对于纳米级的微结构将可进行有效的侦测。
文档编号G01Q60/40GKCN201111298SQ200620156705
公开日2008年9月3日 申请日期2006年12月30日
发明者王彦杰 申请人:王彦杰导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan