[发明专利]微纳米尺度动态耦合振动的单点跟踪测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于快速大范围原子力显微镜的微纳米尺度动态耦合振动高分辨单点跟踪测量方法。

背景技术

原子力显微镜（Atomic Force Microscope,AFM）快速扫描技术是近年来迅速发展的热门研究方向（T.Ando,“High-speed atomic force microscopy coming of age”,Nanotechnology,2012,23:06200-062028.）。扫描速率的提高不仅能减少扫描时间，提高运行效率，更重要的是能弥补普通AFM由于扫描速率慢（1秒/帧），不能实时观测生物样本动态变化的不足。通过在AFM快速扫描技术的基础上进一步扩大扫描范围，能实现对如活细胞、新鲜组织等具有相对繁杂结构、几何尺度跨度大、生命活动变化快速等特点的大尺度生物样本进行测量分析。

基于柔性铰链结构的平板式微位移扫描器（简称平板扫描器）（于靖军,裴旭,毕树生,宗光华,张宪民.柔性铰链机构设计方法的研究进展.机械工程学报,46,13,2-13,(2010).），由于具有无机械摩擦、无间隙、纳米级位移分辨力、运动灵敏度高、运动范围大及加工简单等优点，逐渐代替AFM中常用的传统压电陶瓷管式扫描器，且对于具有特殊用途的剪应力压电陶瓷式扫描器（M.J.Rost,L.Crama,P.Schakel,E.van Tol,etc.“Scanning probe microscopes go video rate and beyond,”Rev.Sci.Instrument,76,5,053710-1-053710-9,(2005).）和音叉式扫描器（L.M.Picco,L.Bozec,M.A.Horton,andM.J.Miles,“Breaking the speed limit with atomic force microscopy,”Nanotechnology,18,4,044030-1–044030-4,(2007).）而言，其具有更好的通用性。目前兼具快速和大范围扫描能力的AFM一般采用双扫描器结构，扫描器一采用传统扫描管式（X、Y、Z方向）或扫描堆式（Z方向）压电扫描器，主要带动探针进行扫描运动，用于实现快速扫描；扫描器二则采用平板扫描器（X、Y、Z方向），主要带动样品进行扫描运动，用于实现大范围扫描。

然而最新的研究成果表明，平板扫描器在快速往复扫描运动过程中，由于轴间动态耦合振动导致的针尖与样品作用力不均及引起的图像畸变仍是个急需解决的问题（Yan,Y.,Wang,H.,&Zou,Q..A decoupled inversion-based iterative control approach to multi-axis precision positioning:3D nanopositioning example.Automatica,48(1),167–176.(2012)）。平板扫描器的轴间动态耦合振动幅值处在微纳米量级，除了通过有限元仿真计算其振动模态外，一般采用电容传感器（黄向东,刘立丰,谭久彬,马标.调幅式电容位移传感器的峰值检波电路设计.光学精密工程,20,11,2444-2449,(2012).）或激光测振仪（中国专利201310257681.5，中国专利201310252759.4）测量其真实的振动模态。然而电容传感器实际测量的是平面振动，且响应带宽较低（小于100kHz）；激光测振仪受聚焦光斑大小影响，平面点分辨力一般在微米量级，且对于动态耦合振动过程，如平板扫描器X轴方向快速运动引起Z轴方向耦合振荡，测振仪本体在测量Z轴方向耦合振动时，难以同步跟踪X轴方向的运动，也就是说，激光测振仪实际测量的并不是单点在Z方向的耦合振动状态。

原子力显微镜AFM微悬臂梁探针具有纳米级三维分辨力且谐振频率高达100kHz以上，AFM除了用于样品表面形貌三维表征外，也可用于振动测量，如徐临燕等（徐临燕，栗大超，刘瑞鹏等，基于轻敲模式AFM的纳米振动表征方法.压电与声光,32,4,677-681,2010.）利用AFM在轻敲模式下实现了Z方向1MHz频率纳米级微振动测量，其给样品Z方向施加1MHz高频激励，通过测量探针的振幅和相位得到样品Z方向振动模态。目前AFM测振方法只针对单轴方向测振（如Z轴方向），对于多轴动态耦合（如X轴方向运动引起的Z轴方向振动）状态下的单点动态跟踪测量则未见报道。