基于AFM的振幅反馈电路设计

王萍，戴斐

（合肥职业技术学院，机电工程学院，安徽 合肥 238010）

AFM全称是Atomic Force Microscope，即原子力显微镜，它是一种原子级高分辨的新型的测量仪器。AFM适用于导体和半导体材料，可以在液体中对物体进行测量，与被测试样可以有接触、非接触和轻敲三种工作模式，具有测量精度高、可达到纳米级等显著的优点。在纳米材料、精密制造、生物等领域中应用十分广泛。但是，原子力显微镜在测量样品形貌的时候也存在扫描速度慢、耗时长等不足，本文针对AFM测量的这一缺陷，设计了一种PID反馈控制硬件电路，通过硬件电路对扫描速度有了有效的提高。

1 AFM的工作原理

原子力显微镜检测是利用其极小的原子量级的探针针尖与被测物体表面原子的作用力，此作用力与距离有关，如图1所示，横坐标r为距离，纵坐标为原子间作用力f。当探针慢慢接近被测物体时，即r慢慢减小，原子间的合力先为排斥力，随着距离r逐渐减小，排斥力缓慢增加，r减小到r’时，排斥力快速增加达到最大值，然后，快速减小到0，随着r继续减小，两原子间的作用力表现为吸引力，吸引力随着距离的减小极具增加。通过图1可知，当距离r小于r’后，作用力f随距离r的变化十分明显，即r很小的变化引起f的巨大变化，且基本为线性关系。原子力显微镜在检测物体时，正是利用两者的这一线性关系和高灵敏度。

图1 两原子间的作用力与距离的关系曲线

2 AFM结构与测量原理

原子力显微镜是综合运用了精密机械光电检测信号处理信号采集图像处理等技术的高精度精密仪器，其结构如图2所示，是由物料检测台、微悬臂探头、激光放大机构、光电检测电路及反馈控制系统和等部分组成。其中，物理检测台主要是由一个或多个压电陶瓷构成，压电陶瓷是一种具有压电效应和逆压电效应的材料，即给压电陶瓷施加拉力或压力，材料会产生电场，力消失电场消失，电场方向随着力的方向变化而变化；同样，当给压电材料施加电场，其会发生形变，出现拉伸或收缩的现象，形变方向与施加电场方向有关。测量时，将被测物体放在检测台上，由于被测物形貌的关系，其各点与微悬臂探针距离不同，探针所受作用力不同，导致探针的振动幅度不同；通过放大机构和光电检测电路将检测探针的振幅或相位的偏移量进行放大并测量，最终转换成电信号，即将物体形貌的变化转换成电信号的变化，并通过检测台水平方向移动被测物体，即可得到被测物各点形貌的电信号。为了使测量更精确，需要将检测的电信号通过反馈控制系统进行调节，最后，再通过计算机控制整个扫描过程，计算处理相关数据，并显示被测物体的形貌。一般在测量时，将探针与测量点的距离设成恒定值，当形貌变化，被测点与探针距离变化，反馈控制系统将这一变化与恒定值比较，从而调节控制压电陶瓷的电压，调节探针与被测点的距离，直至达到恒定值。反馈控制系统有软件反馈和硬件反馈两种方式，其中软件反馈通过各种PID算法，优点是修改方便、不增加成本，缺点是计算复杂，在反馈调节过程中，需要多次调节多次计算才能达到设定值，导致执行速度慢，扫描时间长；硬件反馈与此相反，扫描速度快，但硬件电路不易修改反馈参数。反馈控制信号可以是振幅、相位及频率等，本文在保持探针与被测点距离不变的情况下，采用振幅作为反馈信号。

图2 原子力显微镜的结构组成

3 AFM的振幅反馈电路设计

本文设计了具有PID的硬件振幅反馈电路，在检测物体过程中，保持AFM的探针针尖与物体的距离为设定值，即探针受力是恒定的值，此作用力由AFM转换成恒定的电压量输出。AFM的振幅反馈电路设计框图如图3所示。当检测被测物的不同点时，由于物体形貌的变化，探针与检测点的距离发生变化，探针受力发生变化，AFM输出的反应被测点形貌的电压量与设定值不同。将此电压值与设定值进行比较作差，再将差值进行PID运算，再通过求和、放大后差值反馈电压送给Z向压电陶瓷，压电陶瓷的电压变化，发生相应的形变，改变被测点与探针的距离，使此距离最终保持恒定，记录此时加在压电陶瓷上的电压大小即为被测点的形貌，对被测物体多点进行检测，最终得到被测物体的形貌。AFM的振幅反馈电路原理图如图4所示。

图3 AFM的振幅反馈电路设计框图

图4 AFM的振幅反馈硬件原理图

4 结语

本文通过分析原子力显微镜测量的原理，提出其存在的问题，并设计了硬件PID反馈控制后，使其测量时扫描速度得到有效提高。