胡國文, 王光鵬

(1.蘭州大學 功能有機分子化學國家重點實驗室,蘭州 730000；2.中國科學院 青藏高原研究所 高寒生態(tài)學與生物多樣性重點實驗室,北京 100101)

0 引 言

原子力顯微鏡(Atomic force microscopy，AFM)是一種以物理學原理為基礎(chǔ)，通過掃描探針與樣品表面原子相互作用而成像的新型表面分析儀器。它屬于繼光學顯微鏡、電子顯微鏡之后的第3代顯微鏡。AFM通常利用一個很尖的探針對樣品掃描，探針固定在對探針與樣品表面作用力極敏感的微懸臂上。懸臂受力偏折會引起由激光源發(fā)出的激光束經(jīng)懸臂反射后發(fā)生位移。檢測器接受反射光，最后接受信號經(jīng)過計算機系統(tǒng)采集、處理、形成樣品表面形貌圖像。與掃描電鏡相比，掃描探針顯微鏡有分辨率更高、可對Z方向分辨、對樣品導電性無要求、常壓下甚至在液體環(huán)境下都可以良好工作等優(yōu)點。同時，也有成像范圍太小、速度慢、受探頭的影響太大、由于測試樣品的開放環(huán)境而易受外界噪音、震動的影響等缺點[1-6]。

1 實 驗

1.1 噪音、震動對AFM的影響

按照噪音的頻率，可將噪聲分為：低頻噪聲(主頻率低于300 Hz)、中頻噪聲(主頻率在300～800 Hz)、高頻噪聲(主頻率高于800 Hz)。而AFM的核心部件是力的傳感器件, 包括微懸臂( Cantilever) 和黏附在其上面的針尖組成, 其主要受到低頻噪音的干擾[7-10]。隨著城市軌道交通網(wǎng)的建設(shè)，精密儀器使用場所所在的區(qū)域難免會有地鐵穿過。而相應的震動則會對儀器功能、精度等帶來影響，易出現(xiàn)信噪比低、精度差、重復性變差、準確度下降、甚至不能正常工作等問題[11-18]。如圖1所示，圖像中出現(xiàn)的突然條紋為常見的由震動或針尖不穩(wěn)定等因素導致儀器不能成像的問題。因此如何降低儀器環(huán)境噪音、震動對儀器正常、準確、高效的工作有著非常重要的現(xiàn)實意義。

圖1 震動或針尖不穩(wěn)定導致的無法成像

1.2 裝置研制

針對AFM易受外界噪音、震動影響的缺陷，選用Agilent5400型原子力顯微鏡為對象，利用隔音棉吸收部分環(huán)境噪音，通過彈簧懸掛來降低震動對該儀器造成的影響，最終設(shè)計并加工了屏蔽減震箱，將該儀器放置于屏蔽減震箱內(nèi)，噪音水平明顯降低，儀器工作環(huán)境得到的較大的改善，分辨率有一定提升。

(1)材料。Agilent5400型原子力顯微鏡、隔音棉約3 m2、木板約3 m2、彈簧4根(60 cm)、加厚鐵板1塊(40 cm×40 cm)、膠水、合頁、螺絲，抽屜把手。

(2)制作。如圖2所示，用木板加工一個長寬高分別為0.5 m,0.5 m,1 m的箱體。在箱體內(nèi)用膠水粘貼一層厚度約為2 cm的隔音棉，從而起到降噪的效果。在箱體內(nèi)頂部自由懸掛4根彈簧，用于懸掛加厚鐵板，將Agilent5400型原子力顯微鏡居中放置于加厚鐵板上，從而起到減震效果。

圖2 屏蔽減震箱設(shè)計示意圖

2 結(jié)果與分析

(1) 改造前后實物圖。如圖3所示，改造前儀器成像主要部件如掃描頭、樣品盤、檢測器、光學顯微系統(tǒng)及支架只能放置于桌面上，從而受到周圍環(huán)境如臨街噪音、桌面震動、樓層震動的影響。改造后，可以將其核心部件放置于箱體內(nèi)，利用隔音棉起到降噪，彈簧起到減震的效果。

改造前

改造后

(2) 減震降噪效果。通過將Agilent5400型AFM放置于屏蔽減震箱內(nèi)，當外界桌面震動時，可以很明顯地發(fā)現(xiàn)箱體內(nèi)儀器并未隨著桌面震動而晃動，從而在測試的過程中避免了隨機出現(xiàn)的比如桌面被碰撞而引起的跳針等儀器無法工作的情況，同時在平時儀器放置時，外界產(chǎn)生的震動也可能對儀器硬件帶來損傷。而將其放置于屏蔽減震箱內(nèi)后，日常存放中也大大地增加儀器的安全性。表1顯示了改造前后不同時間點測量得到的噪音值，通過數(shù)據(jù)可以看出，將儀器放置于屏蔽減震箱后，噪音最大降低了20 dB，最小降低了15 dB，其環(huán)境噪音得到了一定程度的改善。

表1 不同次儀器改造前后噪音值

3 結(jié) 語

通過設(shè)計加工屏蔽減震箱，并將儀器放置于箱體內(nèi)存放運行，一方面儀器日常存放遇到的震動可得到部分減少，有效保護了儀器并可避免一些不確定因素對儀器造成的損傷，同時也可以延長儀器部件壽命。同時其噪音也得到了明顯改善，有利于AFM這類精密儀器良好運行，獲取準確可靠的科研數(shù)據(jù)。 同時該減震屏蔽箱的設(shè)計思路也可以用來對其他一些精密儀器進行減震降噪，對于大型儀器的運行、維護、更好發(fā)揮測試功能有一定參考性。

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