原子力声学显微镜悬臂梁接触谐振频率检测系统技术方案

原子力声学显微镜悬臂梁接触谐振频率检测系统主要用于检测原子力显微镜悬臂梁的接触谐振频率，进而实现原子力声学显微镜的弹性模量成像，属于无损检测领域。本实用新型专利技术基于原子力显微镜悬臂谐振曲线峰值对应的电压信号，控制压控振荡器输出谐振中心频率的正弦电压信号激励压电传感器的原理。主要包括与原子力声学显微镜悬臂梁的光电二极管探测器连接的锁相放大器、与原子力声学显微镜的压电传感器连接的压控振荡器（ＶＣＯ），以及处理频率信号的ＤＳＰ控制板。ＤＳＰ控制板控制ＶＣＯ输出谐振中心频率的正弦电压信号激励压电传感器，得到谐振曲线，进而得到谐振曲线的中心频率，实现了一种自动频率检测系统。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

原子力声学显微镜悬臂梁接触谐振频率检测系统主要用于检测原子力显微镜悬 臂梁的接触谐振频率，进而实现原子力声学显微镜的弹性模量成像，属于无损检测领域。
技术介绍
原子力声学显微镜(AFAM)技术，通过使原子力显微镜的悬臂梁或被测试件做超 声振动，激励悬臂梁的高阶振动模态。精确测定高阶谐振频率的漂移，可很好地反映试件表 面局部机械性质，如接触刚度、弹性常数、近表面缺陷等。这种技术具有很高的横向分辨率 (可小于lOnm)，既适用于电子封装焊点的表面及近表面缺陷检测，又可测量薄膜材料的弹 性性质，是近年来无损检测界的新的研究热点。AFAM 一般是在原子力显微镜平台上搭建起来的。根据激励源的不同可分为两类， 样品-AFAM(S-AFAM，样品激励)和探针-AFAM(T-AFAM，探针激励)。S-AFAM的工作方式是 指AFM工作在接触模式，样品背面用耦合剂粘接压电换能器，放置在原子力显微镜支架上， 将激励源接入压电换能器。T-AFAM的工作方式是指信号发生器驱动压电换能器产生一个连 续的振动信号，该信号穿透样品被AFM悬臂接受，当AFM悬臂的探针接触到样品时，这种微 弱振动通过探针-样品耦合传播从而激励悬臂振动。检测悬臂的振动信号，这个信号输入 锁相放大器，激励源的激励信号也输入锁相放大器作为参考信号，信号经锁相放大器处理 后进入计算机，应用分析软件进行分析获得试件表面形貌图和相位图。尽管目前AFAM法可很好地反映试件表面局部机械性质，如接触刚度、弹性常数、 近表面缺陷等。但由于传统的原子力声学显微镜系统采用锁相或网络分析定位技术，实际 成像速度太慢。为了快速获取接触谐振频率，以便实现快速弹性模量成像，需开发一套基于 DSP的谐振频率检测系统，用于在成像过程中实时检测谐振频率。
技术实现思路
本技术的目的在于，为解决传统原子力声学显微镜技术中采用锁相放大器或 网络分析仪获取原子力声学显微镜悬臂梁接触谐振频率速度较慢，进而导致原子力显微镜 成像慢的问题，提供一种快速获取原子力声学显微镜悬臂梁接触谐振频率的频率检测系 统。为了实现上述目的，本技术采用了如下方案采用DSP信号处理器件，实现一 种快速自动对原子力声学显微镜悬臂梁接触谐振频率检测的系统，主要包括DSP控制板、 与原子力声学显微镜悬臂梁的光电二极管探测器连接的锁相放大器、与原子力声学显微镜 的压电传感器连接的压控振荡器VCO。锁相放大器从光电二极管探测器输出的信号中提取 原子力声学显微镜悬臂梁振动信号，输入到DSP控制板中进行信号处理；DSP控制板处理锁 相放大器输入的信号，绘制出输入信号的频率谱，得到悬臂梁的中心频率；VCO作为与样品 耦合的压电传感器的信号激励源，根据DSP控制板输入的控制信号，产生3kHz 3MHz的 正弦波扫频到压电传感器；而且，DSP控制板根据得到的中心频率，输出一个反馈信号也至VC0，该信号调整VCO来调节振动的中心频率以维持悬臂梁响应曲线位于谐振中心。所述DSP控制板包含DSP芯片、A/D模数转换器和D/A数模转换器、多通道数据缓 冲器、复杂可编程逻辑器件CPLD、同步动态随机存储器SDRAM、闪存FLASH、外部时钟和串行 接口，DSP控制板接收锁相放大器输入的信号，首先经过A/D模数转换器进入DSP芯片内进 行信号处理，DSP芯片的工作频率由外部时钟提供，CPLD控制系统的工作时序，由FLASH和 SDRAM进行片外数据存储，DSP芯片通过串行接口与外部设备通信，信号处理后的数据经过 D/A数模转换器，转变成模拟信号，输入到VCO中。并设置一路占空比调节电路接至VC0，从 而调节VCO输出信号的占空比。可以增设电脑主机，该电脑主机通过串行接口与DSP芯片通信，电脑主机中设有 人机交换界面，可根据DSP控制板传来的信息显示谐振曲线，并且可设定调节参数给DSP控 制板。另外，从DSP控制板输出的调整VCO中心频率的反馈信息，也被送至原子力显微镜 的辅助成像输入端口，绘制成一个与谐振频率成比例的图像。本技术基于原子力显微镜悬臂谐振曲线峰值对应的电压信号，采用先进的 DSP信号处理器件控制压控振荡器输出谐振中心频率的正弦电压信号激励压电传感器，得 到谐振曲线，进而得到谐振曲线的中心频率，实现了一种快速自动频率检测系统。附图说明图1压控振荡器的工作示意图；图2原子力声学显微镜悬臂梁接触谐振频率检测系统一优选实施例的结构框图；图3图2所示实施例中DSP控制板结构示意图图4本技术中DSP控制板对原子力声学显微镜悬臂梁振动频率信号处理的流 程图。具体实施方式本技术中作为压电传感器的信号激励源是一个压控振荡器(VCO)，给VCO输 入一个电压信号，VCO输出一定频率的正弦波，增大输入电压信号的幅值，相应的VCO输出 的正弦波的频率也增大。VCO工作时需要的外围条件如图1所示。首先DSP控制板输出一 扫频信号(即电压幅值变化的信号)至vco，VCO产生扫频正弦信号，激励压电传感器。然 后DSP控制板通过A/D采样、信号处理后，反馈悬臂梁谐振中心频率对应的电压信号至VC0， VCO产生谐振频率下的正弦信号激励压电传感器。另有一路占空比调节电路，可调节VCO输 出信号的占空比。以下结合附图2-4通过具体实施例对本技术作进一步的说明，以下实施例只 是描述性的，不是限定性的，不能以此来限定本技术的保护范围。本实施例的总体结构 框图如图2所示，具体工作过程如下1)DSP控制板(DSP信号处理A)中发出扫频信号，控制VCO(压电振荡器B)产生一 振幅可调扫频正弦波传递到压电传感器C，压电传感器C上放置样品D。2)该信号穿透样品被原子力显微镜E中的悬臂梁接受。当悬臂梁上的探针接触到 样品D时，这种微弱振动通过探针-样品耦合传播从而激励悬臂振动。光电二极管探测器探测到悬臂梁的振动幅度，将这一信号送至锁相放大器F。3)锁相放大器F从光电二极管探测器输出的信号中提取原子力声学显微镜悬臂 梁振动信号，将其转换成直流信号，输入到DSP控制板中进行信号处理。DSP控制板读取这 一信号，存储起来。每次扫描完成后，构建一个完整的谐振曲线，找到谐振曲线中的峰值。并 将这一信息以电压信号的形式通过一反馈控制环路送至VC0，调整VCO来调节振动的中心 频率以维持悬臂响应曲线位于谐振中心。4)用于调节VCO的中心频率的反馈电压信号，也被送至原子力显微镜的成像端口 G，绘制成一个与谐振频率成比例的图像。 5)还设有主机H，主机H与DSP控制板通信，电脑主机H可根据DSP控制板传来的 信息显示谐振曲线，并且设有人机交换界面，可设定调节参数给DSP控制板。本技术的核心硬件为DSP控制板，包含DSP芯片、A/D、D/A、多通道数据缓冲 器、CPLD、SDRAM、FLASH、外部时钟和串行接口等器件，DSP控制板结构如图3所示。首先锁 相放大器输入的信号经过A/D模数转换进入DSP芯片内进行信号处理，DSP芯片的工作频率 由外部时钟提供，CPLD控制系统的工作时序。由FLASH和SDRAM进行片外数据存储。DSP芯 片通过串行接口与电脑主机通信，信号处理后的数据经过D/A数模转换，转变成模拟信号， 输入到VCO中。本技术的核心技术主要是，DS本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．原子力声学显微镜悬臂梁接触谐振频率检测系统，主要包括ＤＳＰ控制板、与原子力声学显微镜悬臂梁的光电二极管探测器连接的锁相放大器、与原子力声学显微镜的压电传感器连接的压控振荡器ＶＣＯ，其特征在于：锁相放大器从光电二极管探测器输出的信号中提取原子力声学显微镜悬臂梁振动信号，输入到ＤＳＰ控制板中进行信号处理；ＤＳＰ控制板处理锁相放大器输入的信号，绘制出输入信号的频率谱，得到悬臂梁的中心频率；ＶＣＯ作为与样品耦合的压电传感器的信号激励源，根据ＤＳＰ控制板输入的控制信号，产生３ｋＨｚ～３ＭＨｚ的正弦波扫频到压电传感器；而且，ＤＳＰ控制板根据得到的中心频率，输出一个反馈信号也至ＶＣＯ，该信号调整ＶＣＯ来调节振动的中心频率以维持悬臂梁响应曲线位于谐振中心。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：何存富，杨发奎，张改梅，吴斌，焦敬品，宋国荣，王娜，郑磊，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：实用新型
国别省市：11[中国|北京]