高 倩, 王振宇, 李英姿, 張應(yīng)旭, 錢建強(qiáng)

(1. 北京航空航天大學(xué) 物理科學(xué)與核能工程學(xué)院, 北京 100083；2. 北京航空航天大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院, 北京 100083；3. 北京航空航天大學(xué) 微納測(cè)控與低維物理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100083)

原子力顯微鏡(atomic force microscopy, AFM)是一種功能強(qiáng)大的表面分析儀器,它不僅可以在真空、大氣下對(duì)導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體樣品表面進(jìn)行原子分辨成像,而且適用于液相環(huán)境[1-3]。AFM已成為材料科學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域不可或缺的研究工具[4-5]。頻率調(diào)制原子力顯微鏡(frequency modulation AFM, FM-AFM)是目前最受關(guān)注的AFM成像模式之一[6]。與幅度調(diào)制AFM相比,FM-AFM以探針振動(dòng)頻率的變化量作為反饋,檢測(cè)靈敏度不會(huì)隨著振幅減小而顯著降低,因此可以采用小幅振動(dòng),增強(qiáng)短程作用力靈敏度,獲得原子分辨成像[7]。另外,FM-AFM的成像帶寬不受探針品質(zhì)因數(shù)的限制,可以采用高品質(zhì)因數(shù)的探針,有效增強(qiáng)對(duì)針尖-樣品作用力檢測(cè)的靈敏度,并且不會(huì)降低成像速度[8]。

雖然FM-AFM具有更高的靈敏度和成像分辨率,但其結(jié)構(gòu)也更加復(fù)雜,不僅需要采用自激勵(lì)電路驅(qū)動(dòng)探針振動(dòng),而且需要對(duì)探針振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)高精度頻率解調(diào),因此商業(yè)FM-AFM一般體積較大且價(jià)格昂貴。為簡(jiǎn)化FM-AFM的結(jié)構(gòu)和操作,使其更適于學(xué)生教學(xué)實(shí)驗(yàn),本文設(shè)計(jì)了一種小型、低成本的FM-AFM,以具有自激勵(lì)和自感知特性的石英音叉(quartz tuning fork, QTF)探針作為力傳感器[9],不需要復(fù)雜的探針激勵(lì)和檢測(cè)裝置,減小了探頭體積,并且QTF探針成本低,可以由學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)制備[10]。同時(shí),頻率解調(diào)和控制系統(tǒng)由兩塊ARM Cortex-M4內(nèi)核的處理器構(gòu)成雙ARM系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn),發(fā)揮了ARM處理器低功耗、低成本、開(kāi)發(fā)難度低等優(yōu)勢(shì)[11]。

1 FM-AFM工作原理

在FM-AFM中,自激勵(lì)電路使一個(gè)高品質(zhì)因數(shù)的探針始終振動(dòng)在其共振頻率處,探針與樣品之間作用力的變化使探針的共振頻率發(fā)生改變,通過(guò)頻率解調(diào)器對(duì)探針的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行解調(diào),即可以反映探針與樣品之間作用力的變化。FM-AFM正是將探針振動(dòng)頻率的變化作為控制系統(tǒng)的反饋信號(hào),來(lái)獲取樣品表面的形貌[6]。

本文設(shè)計(jì)的FM-AFM主要由探頭、自激勵(lì)電路、雙ARM系統(tǒng)及其他相關(guān)電路組成,如圖1所示。

圖1 FM-AFM原理圖

探頭部分采用臥式結(jié)構(gòu),步進(jìn)電機(jī)推動(dòng)樣品臺(tái)完成進(jìn)針和退針,雙臂自由振蕩的QTF探針作為力傳感器感知樣品表面形貌,采用四分壓電陶瓷管作為三維掃描器,整個(gè)探頭部分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,穩(wěn)定性高。自激勵(lì)電路用來(lái)驅(qū)動(dòng)QTF探針振動(dòng)在實(shí)時(shí)的共振頻率處,并保持振幅恒定。雙ARM系統(tǒng)是FM-AFM的核心,負(fù)責(zé)頻率解調(diào)、與上位機(jī)通信、控制步進(jìn)電機(jī)、掃描成像等任務(wù)。

2 QTF探針自激勵(lì)電路設(shè)計(jì)

FM-AFM的探針由自激勵(lì)電路原理圖見(jiàn)圖2,石英音叉探針輸出與其振幅成正比的電流信號(hào),通過(guò)跨阻放大器(trans-impedance amplifier, TIA)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),經(jīng)帶通濾波后得到輸出信號(hào)；同時(shí),該信號(hào)經(jīng)過(guò)移相電路和自動(dòng)增益控制(automatic gain control, AGC)電路形成反饋回路,驅(qū)動(dòng)探針振動(dòng)[12]。

圖2 自激勵(lì)電路原理圖

AGC電路用來(lái)保持探針振幅恒定,是自激勵(lì)電路的重要組成部分。它由均方根檢測(cè)器、PI控制器和可變?cè)鲆娣糯笃?variable gain amplifier, VGA)組成。均方根檢測(cè)器測(cè)量探針振動(dòng)信號(hào)的幅值,該振幅信號(hào)與探針振幅的設(shè)定值進(jìn)行比較,產(chǎn)生的誤差信號(hào)經(jīng)比例-積分(proportional-integral, PI)控制器產(chǎn)生一個(gè)控制電壓,用于控制VGA的增益。VGA將移相后探針的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行放大或者衰減。對(duì)于設(shè)定的振幅,當(dāng)探針振動(dòng)信號(hào)低于設(shè)定幅值時(shí),AGC電路輸出的增益大,當(dāng)探針振動(dòng)信號(hào)高于設(shè)定幅值時(shí),AGC電路輸出的增益小。這樣,當(dāng)探針與樣品間的距離改變時(shí),VGA輸出不同幅度的激勵(lì)信號(hào)使探針做恒幅振動(dòng)。

3 雙ARM系統(tǒng)設(shè)計(jì)

雙ARM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示,ARM處理器采用STMicroelectronics公司的Cortex-M4內(nèi)核的高性能微控制器STM32F427VG,該處理器主頻為180 MHz,運(yùn)算能力為225 DMIPS,具有數(shù)字信號(hào)處理指令和單精度浮點(diǎn)運(yùn)算單元,可以滿足實(shí)時(shí)頻率解調(diào)和系統(tǒng)控制的需求[13]。

圖3 雙ARM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

為了提高成像精度,我們并沒(méi)有使用ARM自帶的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog-to-digital converter, ADC)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(digital-to-analog converter, DAC)進(jìn)行信號(hào)采集和輸出,而是通過(guò)串行外設(shè)接口(serial peripheral interface, SPI)外接了專用的16位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片。ARM處理器之間采用SPI和通用異步收發(fā)器(universal asynchronous receiver transmitter, UART)進(jìn)行通信,分別用來(lái)傳輸頻率解調(diào)信號(hào)和控制信號(hào)。雙ARM系統(tǒng)通過(guò)UART接口與上位機(jī)進(jìn)行通信。

3.1 基于ARM的頻率解調(diào)系統(tǒng)

鎖相環(huán)(phase-locked loop, PLL)解調(diào)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、解調(diào)精度高，且具有較好的抑制噪聲的能力,是常用的頻率解調(diào)方法[14]。相對(duì)于模擬鎖相環(huán)和數(shù)字鎖相環(huán),軟件鎖相環(huán)不需要復(fù)雜的模擬、數(shù)字芯片,各功能完全由軟件實(shí)現(xiàn),通過(guò)改變程序中的參數(shù),即可調(diào)節(jié)鎖相環(huán)的性能,提供了最大的靈活性。本系統(tǒng)利用ARM處理器實(shí)現(xiàn)了可以進(jìn)行實(shí)時(shí)高精度頻率解調(diào)的軟件鎖相環(huán)。

軟件鎖相環(huán)的原理如圖4所示,ADC以固定的采樣率fs對(duì)輸入信號(hào)u進(jìn)行采樣,得到離散的輸入信號(hào)u1(n),同時(shí)鎖相環(huán)內(nèi)部的數(shù)控振蕩器產(chǎn)生參考信號(hào)u2(n),乘法鑒相器檢測(cè)u1(n)和u2(n)之間的相位差,經(jīng)環(huán)路濾波器濾波后得到uf(n),對(duì)數(shù)控振蕩器的振蕩頻率實(shí)施控制。當(dāng)u1(n)與u2(n)頻率相同時(shí),它們之間的相位差保持恒定,此時(shí)環(huán)路濾波器輸出uf(n)恒定；當(dāng)u1(n)與u2(n)頻率不同時(shí),uf(n)發(fā)生改變,進(jìn)而控制數(shù)控振蕩器輸出信號(hào)u2(n)的頻率,直至相位差恢復(fù),達(dá)到鎖頻的目的,因此該信號(hào)在FM-AFM系統(tǒng)中用作反饋控制信號(hào)。軟件鎖相環(huán)的具體設(shè)計(jì)見(jiàn)參考文獻(xiàn)[14]。

圖4 軟件鎖相環(huán)原理圖

本系統(tǒng)采用的石英音叉探針共振頻率約為32 kHz,由采樣定理可知,要完成對(duì)原始信號(hào)的還原,采樣率至少需要是原始信號(hào)的兩倍。為提高頻率解調(diào)精度,以1 MS/s的采樣率對(duì)探針振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行高速采樣和解調(diào)。解調(diào)程序充分利用處理器中的數(shù)字信號(hào)處理指令和浮點(diǎn)運(yùn)算單元,采用單精度浮點(diǎn)數(shù)進(jìn)行運(yùn)算,保證了解調(diào)精度和速度。經(jīng)測(cè)試,解調(diào)精度可以達(dá)到10 mHz。

3.2 基于ARM的控制系統(tǒng)

FM-AFM控制系統(tǒng)需要滿足多任務(wù)和高實(shí)時(shí)性的要求,為了降低軟件系統(tǒng)的復(fù)雜度,使程序設(shè)計(jì)、調(diào)試和維護(hù)簡(jiǎn)單化,將控制系統(tǒng)按功能分解為一系列任務(wù),并選擇ARM公司的硬實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)CMSIS-RTOS RTX進(jìn)行任務(wù)管理和調(diào)度[15]。該操作系統(tǒng)已針對(duì)Cortex-M處理器進(jìn)行優(yōu)化,可以充分發(fā)揮該處理器的優(yōu)勢(shì),達(dá)到更高的性能。

控制系統(tǒng)任務(wù)由上位機(jī)命令驅(qū)動(dòng),每個(gè)任務(wù)內(nèi)建一個(gè)消息隊(duì)列,用于接收上位機(jī)命令,系統(tǒng)啟動(dòng)之后各任務(wù)處于阻塞狀態(tài),等待上位機(jī)命令。在接收到命令之后,該任務(wù)進(jìn)入就緒隊(duì)列,如果在隊(duì)列中處于最高優(yōu)先級(jí),就可以被調(diào)度執(zhí)行?？刂葡到y(tǒng)采用搶占式和時(shí)間片輪轉(zhuǎn)相結(jié)合的任務(wù)調(diào)度方法,根據(jù)任務(wù)的實(shí)時(shí)性要求設(shè)置不同的優(yōu)先級(jí),使對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的任務(wù)優(yōu)先執(zhí)行,而對(duì)實(shí)時(shí)性要求類似的任務(wù)則輪轉(zhuǎn)執(zhí)行,保證系統(tǒng)實(shí)時(shí)、可靠運(yùn)行?？刂葡到y(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖5所示。其中,因命令解析和分發(fā)運(yùn)算量較小,直接在中斷服務(wù)程序中完成；PID控制由于需要頻繁調(diào)度,為保證實(shí)時(shí)性,必須在中斷服務(wù)中完成,通過(guò)一個(gè)定時(shí)器以固定時(shí)間間隔觸發(fā),且具有最高的中斷優(yōu)先級(jí)；其余任務(wù)對(duì)實(shí)時(shí)性要求較低,均由操作系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度。

圖5 控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)示意圖

4 實(shí)驗(yàn)

FM-AFM的實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示。步進(jìn)電機(jī)座和壓電陶瓷掃描器分別固定在光學(xué)導(dǎo)軌的兩端,樣品臺(tái)可以在步進(jìn)電機(jī)推動(dòng)下沿導(dǎo)軌滑動(dòng)。光學(xué)導(dǎo)軌長(zhǎng)度為15 cm,裝配后的探頭長(zhǎng)度約20 cm。電路部分采用堆疊式設(shè)計(jì),每塊電路板尺寸為9 cm×10 cm,裝配高度約10 cm。

圖6 FM-AFM的實(shí)驗(yàn)裝置

利用設(shè)計(jì)的FM-AFM對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行成像,掃描速度為0.5 Hz,圖像大小為256像素×256像素,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。圖7(a)為校準(zhǔn)樣品(HS-100MG,BudgetSensors)形貌像,掃描范圍20 μm×20 μm,HS-100MG是專為AFM校準(zhǔn)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)樣品,包含一維光柵、二維光柵等多種區(qū)域,實(shí)驗(yàn)中的成像區(qū)域?yàn)閳A柱陣列,標(biāo)稱周期為5 μm,標(biāo)稱高度為100 nm,圖像可以清楚地反映圓柱形陣列的排布,而且邊緣清晰；圖7(b)為刻錄光盤CD-R表面形貌,掃描范圍10 μm×10 μm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的FM-AFM可以穩(wěn)定工作,并且具有較好的成像效果。

圖7 FM-AFM成像結(jié)果

5 結(jié)論

以雙ARM系統(tǒng)為核心設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了小型化、低成本的FM-AFM。采用ARM處理器在保證系統(tǒng)性能的同時(shí),降低了功耗和成本,并且ARM處理器使用方便,開(kāi)發(fā)難度低。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行成像,驗(yàn)證了系統(tǒng)可以穩(wěn)定工作。該FM-AFM結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,有利于學(xué)生了解和掌握FM-AFM的工作原理和操作方法,有利于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力。