基于鎖相環的音叉式原子力顯微鏡測頭電路系統研究

李暄妍，張富強，陳曉梅，高超2，

(1.北京信息科技大學 理學院，北京100192；2.中國科學院大學，北京100094；3.中國科學院微電子研究所，北京100029)

0 引言

原子力顯微鏡(atomic force microscope,AFM)于1986年由諾貝爾物理學獎獲得者Binning和斯坦福大學的Quate及Gerber等人合作發明,具有亞納米量級的垂直分辨力,在空氣或液體環境中可以對樣本進行測試,彌補了其它掃描探針顯微鏡的不足之處,是目前研究納米材料、微器件、半導體器件和生物材料等表面測量分析的重要工具之一,在醫學、工業界和科研領域都有廣泛的應用[1-3]。

原子力顯微鏡有多種原理和工作模式,1995年,德國KARRAI和GROBER使用音叉驅動光纖控制光纖尖與物體表面間距,驗證了音叉具有很高的品質因數Q和高靈敏度[4]。本文在對音叉式原子力顯微鏡工作原理進行分析的基礎上,設計一種基于鎖相環的音叉式原子力顯微鏡測頭電路,并進行試驗測試。

1 石英音叉特性及其驅動電路分析

原子力顯微鏡的工作原理如圖1所示。當探針在被測物表面移動產生距離變化時,探針與被測物體表面原子間存在的范德華力等作用力,會使懸臂梁發生變形,通過檢測懸臂梁形變可獲得作用力分布信息,利用距離與力的關系即可計算得出被測物表面幾何形貌信息。

由于石英音叉具有諧振頻率穩定、品質因素高等優點,可利用石英音叉做為懸臂梁探針研制音叉式原子力顯微鏡。石英音叉屬于壓電器件,當一定頻率的交流電信號通過兩個電極直接加到兩音叉臂時,兩臂以相反方相在平面內以同樣的頻率機械振動,兩音叉臂周期性的相互接近和離開[5],石英音叉工作模式如圖2所示。

圖1 原子間作用力與原子力顯微鏡工作原理圖

圖2 石英音叉工作模式示意圖

瑞士某公司的A-Probe型音叉式懸臂梁探針把高純度單晶硅制成的懸臂梁探針與音叉粘接成如圖3(a)所示,石英音叉帶動懸臂梁探針運動,將音叉臂水平振動轉換為探針針尖的垂直往復運動[6-7],如圖3(b)所示。

圖3 懸臂梁探針工作模式示意圖

音叉在電氣特性上等效于電阻Rtf,電容Ctf和電感Ltf的串聯電路,等效電阻是能量消耗單元,在電路驅動能力設計中應予以考慮,石英音叉的諧振頻率主要由等效電容和等效電感決定,計算公式為

石英音叉幅頻特性曲線近似于洛倫茲曲線,關于共振頻率對稱,測得曲線如圖4所示。

圖4 石英音叉幅頻特性曲線

探針在物體表面移動時,石英音叉工作在自激振蕩模式,利用深度負反饋電路將音叉內部流過微弱交流電流信號轉換為電壓信號,為保證自激振蕩電路工作穩定,音叉自激振蕩信號與輸出電壓信號具有一定的相位差,音叉前置電路及其測試信號結果如圖5所示。

圖5 自激振蕩電壓信號

2 基于鎖相環的頻率調制模式

音叉式原子力顯微鏡利用石英幅頻共振特性,可以工作在幅度調制和頻率調制兩種動態工作模式下。幅度調制工作模式如圖6所示,系統需要獨立的信號源激發音叉探針產生共振,當探針接近被測樣品表面時,音叉振幅發生變化,引起諧振電流變化,檢測電路電壓變化即可反映被測物體表面微形貌。幅度調制模式系統結構簡單,但由于石英音叉探針品質因數Q值高,測頭帶寬較小,因此對檢測電路的測量速度和系統反饋控制響應速度都有較高要求。

圖6 幅度調制工作模式圖

鎖相環(Phase Locked Loop,PLL)可以實時檢測音叉諧振頻率變化,將其引入原子力顯微鏡控制系統,可以實現顯微鏡在頻率調制模式下工作。頻率調制測量模式在保證測量精度的條件下,測量速度優于幅度調制模式,頻率調制系統工作模式如圖7所示。

圖7 基于鎖相環頻率調制工作模式圖

石英音叉式帶動懸臂梁探針以一定初始共振頻率振動,壓電陶瓷微位移機構驅動的Z向掃描器帶動探針逼近或離開被測樣品表面,物體表面高度變化會引起與探針間作用力的變化,從而改變石英音叉共振頻率,頻差信號經鎖相環鑒相器變為直流電壓信號,低通濾波器濾除高頻干擾信號后,一路電壓輸入壓腔振蕩器產生頻差信號反饋到鑒相器,另一路電壓做為反饋控制Z向掃描器帶動懸臂梁探針做離開或逼近的反向運動,使音叉恢復初始共振頻率,壓電陶瓷的位移量即為該點物體表面微觀幾何尺寸。原子力顯微鏡以共振頻率變化探測被測樣品的微觀形貌變化工作模式稱為頻率調制模式。

利用multisim軟件,進行鎖相環用于顯微鏡頻率調制仿真驗證[10],鎖相環調頻仿真電路如圖8(a)所示。設置壓控振蕩器的中心頻率為25 kHz,直流電壓V3=2.5 V。調制電壓V4經過電阻R4接入到壓控振蕩器的輸入,R4電阻相當于V4的內阻,壓控振蕩器輸入端電壓就相當于低通濾波器的輸出和調制電壓的總和。在此電路中也可以選用加法器來實現電路功能,但加法器會導致電路更加復雜化,對信號調試造成不便,故選用乘法器。最終得到壓控振蕩器輸出波形及輸入調制電壓如圖8(b)所示,仿真電路實現輸出信號頻率跟隨輸入信號進行變化,實現鎖相環調頻仿真,仿真結果表明鎖相環輸出的信號頻率能夠跟隨輸入信號頻率變化,滿足使用需求。

圖8 鎖相環調頻仿真試驗

經仿真分析并結合A-Probe型探針電氣參數,選取某公司CD4046B芯片進行原子力顯微鏡鎖相環驅動電路設計[11-13],如圖9所示,芯片自身包含數字相位比較器(PHASE COMPⅡ)和壓腔振蕩器(VCO),同時利用外部阻容元件(R5,C4)構成低通濾波器,實現鎖相環功能。CD4046鎖相環中VCO的振蕩頻率與外圍阻容元件的數值有關,圖9中R1管腳外接電阻和C1/C2管腳外接電容決定振蕩頻率范圍,R2管腳外接電阻決定中心頻率的偏移量,但根據產品手冊,三者與振蕩頻率間并沒有準確的數學關系,存在分散性很難精確計算,A-Probe型探針的典型諧振頻率為43 kHz,初步選定電容C3=2.2 nF,R2管腳外接電阻10 kΩ,R1管腳串聯10 kΩ固定電阻和10 kΩ可調電位器,保證VCO諧振中心頻率f0在43 kHz左右,頻率調諧范圍Δf不小于±3 kHz,可滿足石英音叉諧振頻率鎖相放大使用要求。

圖9 基于CD4046B鎖相環電路原理圖

3 原子力顯微鏡測頭整體系統設計及驗證實驗

基于鎖相環的音叉式原子力顯微鏡系統結構及實物如圖10所示,為保證系統測量穩定性,選用大理石做為工作平臺,X,Y,Z三個方向均包括粗動和精動兩套位移機構,用于實現快速初始化對準和精密測量。測量過程中,利用當X-Y微位移平臺(X-Y掃描工作臺)帶動樣品進行平面運動,Z向掃描器采用壓電陶瓷位移平臺帶動探針探測被測樣品形貌,原子力顯微鏡測頭完成對被測物體形貌XY方向柵狀(raster)的逐點掃描測量,形成被測物體表面微形貌圖,顯微鏡測頭實物如圖10(c)所示。

圖10 原子力顯微鏡系統構成示意圖

利用音叉探針式原子力顯微鏡試驗系統對周期間隔為300 nm的一維正弦光柵的(4μm×4μm)進行柵狀掃描測量,系統采用逐點逐行掃描得到的圖像如圖11(a)所示,垂直于光柵柵線的某一行形貌如圖11(b)所示。由于顯微鏡系統未進行整體校準,所以未對測量結果進行進一步的不確定度分析。

圖11 一維光柵形貌掃描結果

4 結論

基于石英音叉的原子力顯微鏡具有自激自感應的特點,不需要借助于輔助測量機構,在結構上優于光杠桿式原子力顯微鏡,尤其適用于狹小空間微小物體形貌的測量。本文結合A-Probe型石英探針分析了基于鎖相環的音叉式原子力顯微鏡探頭電路系統結構,并利用音叉式原子力顯微鏡對一維光柵進行了測量,試驗結果表明鎖相環電路能夠滿足音叉式原子力顯微鏡系統對頻率反饋控制的要求。未為滿足使用需求,需進一步優化電路參數及圖像處理算法,并對系統進行整體標定,提升系統測量精度和穩定性。