一种多频扫描探针声学显微镜系统及其实现方法技术方案

本发明专利技术公开了一种多频扫描探针声学显微镜系统及其实现方法，系统包括多个声学信号源、多路信号叠加模块、声学换能器、扫描器、微悬臂探针、光电检测系统、多个相干检测解调模块和扫描探针显微镜控制系统，低通滤波器的输入端与光电检测系统的输出端连接，低通滤波器的输出端与反馈控制模块的输入端连接，反馈控制模块的输出端分别与样品表面形貌图显示模块的输入端以及扫描器的输入端连接，各声学信号图显示模块的输入端与各相干检测解调模块的输出端对应连接。本发明专利技术能驱动声学换能器产生多个不同频率的声激励信号，只需一次扫描成像就可得到多种频率的样品声学信号，检测效率高，且能实时得到样品的全部结构信息，可广泛应用于显微镜领域。

【技术实现步骤摘要】
一种多频扫描探针声学显微镜系统及其实现方法
本专利技术涉及显微镜
，尤其是一种多频扫描探针声学显微镜系统及其实现方法。
技术介绍
扫描探针声学显微镜(ScanningProbeAcousticMicroscope，SPAM)是将扫描探针显微镜(ScanningProbeMicroscope，SPM)和扫描声学显微镜(ScanningAcousticMicroscope，SAM)两种技术结合起来的一种新技术，它既有扫描探针显微镜的高分辨表面成像优势，又有扫描声学显微镜的非破坏性内部成像的特点，可以原位同时观察材料基于不同成像机理的表面形貌和声学像，是一种新型多功能显微成像技术。现有的扫描探针声学显微镜，其结构如图1所示，包括激光器1，微悬臂探针2，四象限接收器3，样品4，声学换能器5，扫描器6，声学信号源7，相干检测解调模块9，扫描探针显微镜控制器25，表面形貌图显示模块13，声学信号图显示模块14。图1中，扫描探针声学显微镜在原有原子力显微镜的基础上，增加了一个声学信号源7，驱动样品4底部的声学换能器5对样品4产生一个特定频率的声激励，以声波的形式穿过样品4和声学换能器5的边界，在样品4内传播。当该频率的声波在样品4中遇到材料微观结构和局域性能的不均匀时，如微缺陷、畴结构、晶粒晶界及晶粒取向变化以及成分不均匀等时，声波就会发生折射、反射、干涉等声学过程，从而在样品4上表面不同区域产生振幅和相位的变化。这些变化，将传递到与样品4表面接触的微悬臂探针2，引起微悬臂探针2的悬臂梁同频振动而形成振动信号，该振动信号的振幅或相位携带有样品4的结构(如表面、亚表面及内部)信息。为了不影响“探针-样品”体系的稳定性，保证探针扫描过程中在反馈系统控制和驱动下能够始终跟踪样品的表面起伏进行升降并准确得到样品的表面形貌，必须严格控制样品底部的声激励强度，因而微悬臂探针2接收到的声学信号十分微弱且隐藏在因样品起伏引起的相对较大的探针悬臂梁垂直方向振动信号中。但微悬臂探针2的声学信号因声学激励信号而产生，它具有一个十分重要的特征，就是和声学激励信号具有相干性。因此，可以采用相干检测技术来对微悬臂探针2的声学信号进行检测，即以声学激励信号作为参考信号，解调出微悬臂探针2接收到的微弱声学信号，并将其输入到由扫描探针显微镜控制器25、表面形貌图显示模块13和声学信号图显示模块14组成的扫描探针显微镜控制系统中，从而实时同步显示样品4的表面形貌像和声学像，因此，扫描探针声学显微镜能够同时获得样品的表面形貌和内部结构信息。然而，现有的扫描探针声学显微镜只具有一个声学信号源，只能产生单一频率的声激励信号在样品底部进行声激励，存在着以下缺点：(一)声学信号对样品的局部区域检测不灵敏，不够准确。扫描探针声学显微镜检测时，利用探针在样品表面与样品接触耦合，对声学信号进行拾取接收。理论分析表明，当声激励信号的频率与“样品-探针”的局部弹性耦合体系的固有频率接近时，声学信号的检测灵敏度更高。而“样品-探针”的局部弹性耦合体系的固有频率除了与探针微悬臂弹性梁的固有频率相关，还与针尖所接触的样品区域的材料力学性能和结构(包括缺陷)相关，也就是说，由于样品在微观或介观尺度上的不均匀性，不同区域的“样品-探针”的局部弹性耦合体系的固有频率并不相同，故现有的扫描探针声学显微镜采用了单一频率的声激励信号，声学信号的检测灵敏度也不相同，对于样品检测范围中的某些局部区域，可能会因为声学信号灵敏度降低而遗漏其结构或缺陷的信息，不够准确。(二)样品内部结构的检测存在盲区，不够准确。与一般扫描探针显微镜只能得到样品表面信息不同，扫描探针声学显微镜利用声波在样品内部的穿透性，可以得到样品内部结构(或缺陷)的相关信息。原理上，样品内部沿声波传递方向上存在一系列间隔为声波半波长的检测盲区。现有的扫描探针声学显微镜采用了采用单一频率的声激励信号，对于同一样品介质，其内部检测盲区位置也是固定的，在对样品进行检测时，可能会因为检测盲区的存在而遗漏位于检测盲区中的结构或缺陷的信息，不够准确。(三)检测效率低下和无法实时获取样品的全部信息。为了克服(一)、(二)两点所述的单一频率声激励扫描探针声学显微镜的缺点，在实际检测时，为了防止样品结构或缺陷的遗漏，需要在对样品进行一次扫描成像完成后，重新设定不同的声激励信号频率来对样品进行扫描成像。也就是说，为了防止遗漏样品结构信息或缺陷信息的检测，现有的扫描探针声学显微镜需改变频率来多次成像。由于扫描探针声学显微镜是一种探针逐点扫描采样成像的高分辨纳米(10-9米)表征技术，其成像速度较慢(一般每幅图像需要1000秒量级)且图像有效像素点点距很小(一般纳米量级)，多次扫描成像导致了检测效率低下，无法实时得到样品的全部结构信息。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术的目的在于：提供一种准确、效率高和实时的，多频扫描探针声学显微镜系统。本专利技术的另一目的在于：提供一种准确、效率高和实时的，多频扫描探针声学显微镜系统的实现方法。本专利技术所采取的技术方案是：一种多频扫描探针声学显微镜系统，包括：多个声学信号源，用于产生多个不同频率的声学信号；多路信号叠加模块，用于对多个不同频率的声学信号进行叠加，得到叠加后的声学信号；声学换能器，用于根据叠加后的声学信号对样品产生多个不同频率的声激励信号；扫描器，用于驱动样品进行扫描移动；微悬臂探针，用于在样品表面接收多个不同频率的声激励信号穿过样品后形成的声学信号，得到相应的振动信号；光电检测系统，用于将微悬臂探针的振动信号转换为相应的电信号；多个相干检测解调模块，用于分别以各所述声学信号源的各个频率的声学信号作为参考信号，从光电检测系统的电信号中解调出各个频率的样品声学信号图；扫描探针显微镜控制系统，用于根据光电检测系统的电信号得到样品的表面形貌图，并将样品的表面形貌图和各个频率的样品声学信号图进行同步显示；各所述声学信号源的输出端与多路信号叠加模块的输入端连接，所述多路信号叠加模块的输出端与声学换能器的输入端连接，所述声学换能器位于样品的底部以及扫描器的上方，所述光电检测系统的输出端分别与扫描探针显微镜控制系统的输入端以及各所述相干检测解调模块的信号输入端连接，各所述相干检测解调模块的参考源输入端与各所述声学信号源的输出端对应连接，各所述相干检测解调模块的输出端与扫描探针显微镜控制系统的输入端连接，所述扫描探针显微镜控制系统的输出端与扫描器的输入端连接。进一步，所述扫描探针显微镜控制系统包括：低通滤波器，用于对光电检测系统的电信号进行低通滤波，得到滤除声学信号后的样品表面形貌信号；反馈控制模块，用于根据滤除声学信号后的样品表面形貌信号得到样品的表面形貌图，并生成控制扫描器升降的控制信号；多个样品声学信号图显示模块，用于显示各个频率的样品声学信号图；样品表面形貌图显示模块，用于显示样品的表面形貌图；所述低通滤波器的输入端与光电检测系统的输出端连接，所述低通滤波器的输出端与反馈控制模块的输入端连接，所述反馈控制模块的输出端分别与样品表面形貌图显示模块的输入端以及扫描器的输入端连接，各所述声学信号图显示模块的输入端与各相干检测解调模块的输出端对应连接。进一步，所述扫描探针显微镜控制系统还包括：声学信号融合本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多频扫描探针声学显微镜系统，其特征在于：包括：多个声学信号源，用于产生多个不同频率的声学信号；多路信号叠加模块，用于对多个不同频率的声学信号进行叠加，得到叠加后的声学信号；声学换能器，用于根据叠加后的声学信号对样品产生多个不同频率的声激励信号；扫描器，用于驱动样品进行扫描移动；微悬臂探针，用于在样品表面接收多个不同频率的声激励信号穿过样品后形成的声学信号，得到相应的振动信号；光电检测系统，用于将微悬臂探针的振动信号转换为相应的电信号；多个相干检测解调模块，用于分别以各所述声学信号源的各个频率的声学信号作为参考信号，从光电检测系统的电信号中解调出各个频率的样品声学信号图；扫描探针显微镜控制系统，用于根据光电检测系统的电信号得到样品的表面形貌图，并将样品的表面形貌图和各个频率的样品声学信号图进行同步显示；各所述声学信号源的输出端与多路信号叠加模块的输入端连接，所述多路信号叠加模块的输出端与声学换能器的输入端连接，所述声学换能器位于样品的底部以及扫描器的上方，所述光电检测系统的输出端分别与扫描探针显微镜控制系统的输入端以及各所述相干检测解调模块的信号输入端连接，各所述相干检测解调模块的参考源输入端与各所述声学信号源的输出端对应连接，各所述相干检测解调模块的输出端与扫描探针显微镜控制系统的输入端连接，所述扫描探针显微镜控制系统的输出端与扫描器的输入端连接。...

【技术特征摘要】
1.一种多频扫描探针声学显微镜系统，其特征在于：包括：多个声学信号源，用于产生多个不同频率的声学信号；多路信号叠加模块，用于对多个不同频率的声学信号进行叠加，得到叠加后的声学信号；声学换能器，用于根据叠加后的声学信号对样品产生多个不同频率的声激励信号；扫描器，用于驱动样品进行扫描移动；微悬臂探针，用于在样品表面接收多个不同频率的声激励信号穿过样品后形成的声学信号，得到相应的振动信号；光电检测系统，用于将微悬臂探针的振动信号转换为相应的电信号；多个相干检测解调模块，用于分别以各所述声学信号源的各个频率的声学信号作为参考信号，从光电检测系统的电信号中解调出各个频率的样品声学信号图；扫描探针显微镜控制系统，用于根据光电检测系统的电信号得到样品的表面形貌图，并将样品的表面形貌图和各个频率的样品声学信号图进行同步显示；各所述声学信号源的输出端与多路信号叠加模块的输入端连接，所述多路信号叠加模块的输出端与声学换能器的输入端连接，所述声学换能器位于样品的底部以及扫描器的上方，所述光电检测系统的输出端分别与扫描探针显微镜控制系统的输入端以及各所述相干检测解调模块的信号输入端连接，各所述相干检测解调模块的参考源输入端与各所述声学信号源的输出端对应连接，各所述相干检测解调模块的输出端与扫描探针显微镜控制系统的输入端连接，所述扫描探针显微镜控制系统的输出端与扫描器的输入端连接。2.根据权利要求1所述的一种多频扫描探针声学显微镜系统，其特征在于：所述扫描探针显微镜控制系统包括：低通滤波器，用于对光电检测系统的电信号进行低通滤波，得到滤除声学信号后的样品表面形貌信号；反馈控制模块，用于根据滤除声学信号后的样品表面形貌信号得到样品的表面形貌图，并生成控制扫描器升降的控制信号；多个样品声学信号图显示模块，用于显示各个频率的样品声学信号图；样品表面形貌图显示模块，用于显示样品的表面形貌图；所述低通滤波器的输入端与光电检测系统的输出端连接，所述低通滤波器的输出端与反馈控制模块的输入端连接，所述反馈控制模块的输出端分别与样品表面形貌图显示模块的输入端以及扫描器的输入端连接，各所述声学信号图显示模块的输入端与各相干检测解调模块的输出端对应连接。3.根据权利要求2所述的一种多频扫描探针声学显微镜系统，其特征在于：所述扫描探针显微镜控制系统还包括：声学信号融合模块，用于将所有频率的样品声学信号图进行图像融合，得到样品多频声学信号融合图像；声学信号融合图像显示模块，用于显示样品多频声学信号融合图像；所述声学信号融合模块的输入端分别与各相干检测解调模块的输出端连接，所述声学信号融合模块的输出端与声学信号融合图像显示模块的输入端连接。4.根据权利要求3所述的一种多频扫描探针声学显微镜系统，其特征在于：所述反馈控制模块由CPU、DSP或FPGA及外围电路组成，所述多路信号叠加模块或声学信号融合模块为由运算放大器、电阻和电容构成的加法电路。5.根据权利要求1-4任一项所述的一种多频扫描探针声学显微镜系统，其特征在于：所述光电检测系统包括：激光器，用于发出入射光...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴浚瀚，
申请(专利权)人：广州市本原纳米仪器有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44