本發(fā)明公開(kāi)了一種基于石英音叉探針的原子力顯微鏡的成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)中的AFM控制器分別通過(guò)線纜與圖形顯示器、壓電陶瓷管掃描器、步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路、反饋信號(hào)檢測(cè)電路和掃描控制信號(hào)處理電路連接，實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的傳輸；樣品臺(tái)上安裝有探頭限位座；探頭限位座上方是圓形安裝臺(tái)，圓形安裝臺(tái)上安裝有壓電陶瓷管掃描器、位移調(diào)節(jié)組件、以及通過(guò)四根支撐柱支撐的電路安裝箱。本發(fā)明設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠讓學(xué)生了解到AFM的基本工作原理和成像系統(tǒng)的操作步驟，并使用成像系統(tǒng)觀察樣品的微觀結(jié)構(gòu)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生通過(guò)對(duì)成像系統(tǒng)的力傳感元件—石英音叉探針的阻尼系數(shù)的測(cè)量，以及對(duì)雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象的觀察，能進(jìn)一步加深對(duì)AFM力作用機(jī)制以及參數(shù)設(shè)置的理解。

1.一種基于石英音叉探針的原子力顯微鏡的成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)包
括有AFM控制器(1)、圖形顯示器(2)、壓電陶瓷管掃描器(3)、樣品臺(tái)
(4)、石英音叉探針(5)；其特征在于：還包括有反饋信號(hào)檢測(cè)電路(61)、
掃描控制信號(hào)處理電路(62)和位移調(diào)節(jié)組件；
位移調(diào)節(jié)組件包括有步進(jìn)電機(jī)(51)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、電路安裝箱
(52)、傳動(dòng)件(53)、支撐件(54)、探頭限位座(55)、第一定位件(57A)、
第二定位件(57B)、圓形安裝臺(tái)(58)；電路安裝箱(52)內(nèi)安裝有步進(jìn)
電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、反饋信號(hào)檢測(cè)電路(61)、掃描控制信號(hào)處理電路(62)；
第一定位件(57A)包括有第一絲杠(57A1)、第一絲杠套(57A2)、
第一卡環(huán)(57A3)和第一點(diǎn)接觸球體(57A4)；第一絲杠套(57A2)套接
在第一絲杠(57A1)上，第一卡環(huán)(57A3)螺紋連接在第一絲杠套(57A2)
的外部，第一絲杠(57A1)的底部的沉頭孔內(nèi)置入有第一點(diǎn)接觸球體
(57A4)；第一絲杠套(57A2)安裝在探頭限位座(55)的第一沉頭通孔
(55D)內(nèi)，第一卡環(huán)(57A3)位于圓形安裝臺(tái)(58)的下方；
第二定位件(57B)包括有第二絲杠(57B1)、第二絲杠套(57B2)、
第二卡環(huán)(57B3)和第二點(diǎn)接觸球體(57B4)；第二絲杠套(57B2)套
接在第二絲杠(57B1)上，第二卡環(huán)57B3螺紋連接在第二絲杠套(57B2)
的外部，第二絲杠(57B1)的底部的沉頭孔內(nèi)置入有第二點(diǎn)接觸球體
(57B4)；第二絲杠套(57B2)安裝在探頭限位座(55)的第二沉頭通孔
(55D)內(nèi)，第二卡環(huán)(57B3)位于圓形安裝臺(tái)(58)的下方；
圓形安裝臺(tái)(58)上設(shè)有第四沉頭通孔(58A)、第五沉頭通孔(58B)、
觀察窗(58C)、第一定位腔(58D)、第二定位腔(58F)、螺紋孔(58H)；
第一定位腔(58D)的中心設(shè)有第一通孔(58E)；第二定位腔(58F)的
中心設(shè)有第二通孔(58G)；觀察窗(58C)上安裝有玻璃；第一定位腔(58D)
內(nèi)安裝有傳動(dòng)件(53)中的外套筒(53A)的下端，第一定位腔(58D)的
第一通孔(58E)內(nèi)安裝有傳動(dòng)件(53)中的第三絲杠套(53B)；第二定
位腔(58F)上安裝有壓電陶瓷管掃描器(3)，且壓電陶瓷管掃描器(3)
的輸出端穿過(guò)第二通孔(58G)后與上端部陶瓷體(3A)連接；第四沉頭
通孔(58A)內(nèi)安裝有第一定位件(57A)中的第一絲杠套(57A2)，第五
沉頭通孔(58B)內(nèi)安裝有第二定位件(57B)中的第二絲杠套(57B2)；
4個(gè)螺紋孔(58H)上連接有支撐件(54)的一端；傳動(dòng)件(53)用于驅(qū)
動(dòng)圓形安裝臺(tái)(58)在Z軸方向的調(diào)節(jié)；
傳動(dòng)件(53)包括有外套筒(53A)、第三絲杠套(53B)、第三卡環(huán)(53C)、
第三點(diǎn)接觸球體(53D)、第三絲杠(53E)、內(nèi)套筒(53F)、銷(xiāo)釘(53G)；
絲杠(53E)上設(shè)有絲杠段(53E1)和接頭(53E2)，絲杠(53E)
的底部設(shè)有沉頭圓孔，該沉頭圓孔用于放置點(diǎn)接觸球體(53D)，絲杠段
(53E1)用于絲杠套(53B)在其上運(yùn)動(dòng)，接頭(53E2)上設(shè)有通孔(53E3)，
該通孔(53E3)用于銷(xiāo)釘(53G)穿過(guò)，穿過(guò)通孔(53E3)后的銷(xiāo)釘(53G)
的一端置于內(nèi)套筒(53F)的第一開(kāi)槽(53F1)中，穿過(guò)通孔(53E3)后
的銷(xiāo)釘(53G)的另一端置于內(nèi)套筒(53F)的第二開(kāi)槽(53F2)中；
內(nèi)套筒(53F)的上端設(shè)有沉頭孔和通孔，該沉頭孔用于放置步進(jìn)電機(jī)
(51)的輸出軸，通孔用于緊頂釘(53H)穿過(guò)，緊頂釘(53H)的一端
頂緊在步進(jìn)電機(jī)(51)的輸出軸上，通過(guò)緊頂釘(53H)實(shí)現(xiàn)內(nèi)套筒(53F)
與步進(jìn)電機(jī)(51)的輸出軸的鎖緊；內(nèi)套筒(53F)的筒體上設(shè)有第一開(kāi)槽
(53F1)和第二開(kāi)槽(53F2)，第一開(kāi)槽(53F1)用于放置銷(xiāo)釘(53G)
的一端，第二開(kāi)槽(53F2)用于放置銷(xiāo)釘(53G)的另一端；
探針限位座(55)上設(shè)有第一盲孔(55A)、第二盲孔(55B)、第三盲
孔(55C)、第一沉頭通孔(55D)、第二沉頭通孔(55E)、第三沉頭通孔
(55F)、開(kāi)口限位孔(55G)；第一盲孔(55A)用于放置第一定位件(57A)，
第二盲孔(55B)用于放置第二定位件(57B)，第三盲孔(55C)用于放
置傳動(dòng)件(53)中的第三點(diǎn)接觸球體(53D)；開(kāi)口限位孔(55G)處用于
置入石英音叉探針(5)，通過(guò)開(kāi)口限位孔(55G)來(lái)限制壓電陶瓷管掃描
器(3)帶動(dòng)石英音叉探針(5)的運(yùn)動(dòng)范圍；分別在第一沉頭通孔(55D)、
第二沉頭通孔(55E)、第三沉頭通孔(55F)是放置螺釘實(shí)現(xiàn)將探針限位
座(55)與樣品臺(tái)(4)的安裝。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于石英音叉探針的原子力顯微鏡的成
像系統(tǒng)，其特征在于：通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)第一定位件(57A)、第二定位件(57B)
來(lái)抬起或者放下圓形安裝臺(tái)(58)，實(shí)現(xiàn)石英音叉探針(5)距離樣品(4A)
在Z軸方向上位移的粗調(diào)；通過(guò)步進(jìn)電機(jī)(51)與傳動(dòng)件(53)的配合來(lái)
抬起或者放下圓形安裝臺(tái)(58)，實(shí)現(xiàn)石英音叉探針(5)距離樣品(4A)
在Z軸方向上位移的精調(diào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于石英音叉探針的原子力顯微鏡的成
像系統(tǒng)，其特征在于反饋信號(hào)檢測(cè)電路(61)的電路原理結(jié)構(gòu)為：從石英
音叉探針(5)輸出的形貌信息敏感電流信號(hào)M₅進(jìn)入U(xiǎn)11芯片的2腳，
形貌信息敏感電流信號(hào)M₅經(jīng)電阻R12與6腳連接，形貌信息敏感電流
信號(hào)M₅經(jīng)電容C32與6腳連接，U11芯片的4腳接-5V電源，U11芯
片的7腳接+5V電源，U11芯片的6腳輸出電壓信號(hào)VM₅；U11芯片
的6腳經(jīng)電阻R13與U12芯片的2腳連接；U11芯片為OPA27運(yùn)算
放大器芯片；U12芯片為OPA27運(yùn)算放大器芯片；
電壓信號(hào)VM₅經(jīng)電阻R13、電容C33與6腳連接，電壓信號(hào)VM₅經(jīng)
電阻R13、電阻R15與6腳連接，U12芯片的3腳經(jīng)電阻R14接地，
U12芯片的4腳接-5V電源，U12芯片的7腳接+5V電源，U12芯片
的6腳輸出放大電壓信號(hào)AM₅；U12芯片的6腳與U10芯片的15腳
連接；U10芯片為AD637均方根直流轉(zhuǎn)換芯片；
U10芯片的1腳經(jīng)電容C20接地，U10芯片的1腳經(jīng)可變電阻R16
與11腳連接，3腳、4腳接地，6腳與11腳連接，10腳經(jīng)電容C17
與11腳連接，12腳接-5V電源，13腳接+5V電源，15腳與U12芯片
的6腳連接，16腳與AFM控制器1連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于石英音叉探針的原子力顯微鏡的成
像系統(tǒng)，其特征在于掃描控制信號(hào)處理電路(62)的電路原理結(jié)構(gòu)為：包
括有X軸部分控制電路、Y軸部分控制電路和Z軸部分控制電路；
X軸部分控制電路AFM控制器輸出的X軸信號(hào)X_IN經(jīng)電阻R8連接
到OP470四通道運(yùn)算放大器芯片的U1A芯片的3腳，U1A芯片的3腳
經(jīng)電容C3接地，2腳經(jīng)電阻R5接地，2腳經(jīng)電阻R1與1腳連接，4腳
接+15V電源，4腳經(jīng)電容C1接地，11腳接-15V電源，11腳經(jīng)電容C6
接地，1腳經(jīng)電阻R6與OP470四通道運(yùn)算放大器芯片的U1D芯片的13
腳連接，13腳經(jīng)電阻R4與14腳連接，12腳經(jīng)電阻R9接地，14腳經(jīng)電
阻R7與U2芯片的1腳連接，1腳經(jīng)電阻R2與5腳連接，2腳經(jīng)電阻R11
接地，3腳接+150V電源，3腳經(jīng)電容C2接地，4腳接-150V電源，4腳
經(jīng)電容C7接地，6腳經(jīng)電容C4與7腳連接，5腳經(jīng)電阻R10后連接在壓
電陶瓷管掃描器上；U1A芯片的1腳腳經(jīng)電阻R14與U3芯片的1腳連接，
1腳經(jīng)電阻R12與5腳連接，2腳經(jīng)電阻R16接地，3腳接+150V電源，
3腳經(jīng)電容C8接地，4腳接-150V電源，4腳經(jīng)電容C11接地，6腳經(jīng)電
容C9與7腳連接，5腳經(jīng)電阻R15后連接在壓電陶瓷管掃描器上；U2芯
片為PA240高壓運(yùn)算放大器芯片；U3芯片為PA240高壓運(yùn)算放大器芯片；
Y軸部分控制電路AFM控制器輸出的Y軸信號(hào)Y_IN經(jīng)電阻R24連接
到OP470四通道運(yùn)算放大器芯片的U1B芯片的5腳，U1B芯片的5腳
經(jīng)電容C13接地，6腳經(jīng)電阻R21接地，6腳經(jīng)電阻R17與7腳連接，7
腳經(jīng)電阻R22與OP470四通道運(yùn)算放大器芯片的U1C芯片的9腳連接，
9腳經(jīng)電阻R20與8腳連接，10腳經(jīng)電阻R25接地，8腳經(jīng)電阻R23與
U4芯片的1腳連接，1腳經(jīng)電阻R18與5腳連接，2腳經(jīng)電阻R27接地，
3腳接+150V電源，3腳經(jīng)電容C12接地，4腳接-150V電源，4腳經(jīng)電
容C16接地，6腳經(jīng)電容C14與7腳連接，5腳經(jīng)電阻R26后連接在壓
電陶瓷管掃描器上；U1B芯片的7腳經(jīng)電阻R30與U5芯片的1腳連接，
1腳經(jīng)電阻R28與5腳連接，2腳經(jīng)電阻R32接地，3腳接+150V電源，
3腳經(jīng)電容C17接地，4腳接-150V電源，4腳經(jīng)電容C20接地，6腳經(jīng)
電容C18與7腳連接，5腳經(jīng)電阻R31后連接在壓電陶瓷管掃描器上；U4
芯片為PA240高壓運(yùn)算放大器芯片；
Z軸部分控制電路Z軸信號(hào)Z_IN經(jīng)電阻R38連接到U7芯片的3腳，
2腳經(jīng)電阻R36接地，2腳經(jīng)電阻R33與6腳連接，7腳接+15V電源，7
腳經(jīng)電容C21接地，4腳接-15V電源，4腳經(jīng)電容C25接地，6腳經(jīng)電阻
R37與U6芯片的1腳連接，1腳經(jīng)電阻R34與5腳連接，2腳經(jīng)電阻R40
接地，3腳接+150V電源，3腳經(jīng)電容C22接地，4腳接-150V電源，4
腳經(jīng)電容C26接地，6腳經(jīng)電容C23與7腳連接，5腳經(jīng)電阻R39后連
接在壓電陶瓷管掃描器上；U7芯片為OP37運(yùn)算放大器芯片；U6芯片為
PA240高壓運(yùn)算放大器芯片。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于石英音叉探針的原子力顯微鏡的成
像系統(tǒng)，其特征在于步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的電路原理結(jié)構(gòu)為：步進(jìn)電機(jī)導(dǎo)線
連接在電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片U14的16、21、9、4腳上，電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片U14的1
腳經(jīng)可變電阻R21后接+5V電源，1腳經(jīng)可變電阻R21、電阻R22接地，
10腳、11腳、3腳與AFM控制器1連接，22腳接+5V電源，12腳與跳
線接頭P2的2腳連接，12腳經(jīng)電阻R23接+5V電源，13腳與跳線接頭
P2的4腳連接，13腳經(jīng)電阻R24接+5V電源，跳線接頭P2的1腳和3
腳接地，電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片U14的15腳接數(shù)字地，24腳接+5V電源，23腳
經(jīng)電阻R17接地，23腳經(jīng)電容C2接地，2腳經(jīng)電阻R18接地，2腳經(jīng)電
容C21接地，6腳、7腳、18腳接數(shù)字地，19腳接地，8腳經(jīng)電阻R20
接數(shù)字地，17腳經(jīng)電阻R19接數(shù)字地，5腳接+15V電源，5腳經(jīng)電容C28
接地，5腳經(jīng)電容C29接地，20腳接+15V電源，20腳經(jīng)電容C28接地，
20腳經(jīng)電容C29接地，14腳接+5V電源，14腳經(jīng)電容C23接地，14腳
經(jīng)電容C22接地；U14芯片為A3967步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于石英音叉探針的原子力顯微鏡的成
像系統(tǒng)，其特征在于：采用石英音叉探針作為力傳感器用于探針激勵(lì)和形
變檢測(cè)，檢測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)反饋信號(hào)檢測(cè)電路放大和解調(diào)后傳遞給反饋控制
器，反饋控制器通過(guò)實(shí)時(shí)地調(diào)整壓電陶瓷管來(lái)調(diào)整誤差信號(hào)盡可能最小。