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高速数据采集卡是如何帮助原子力显微镜改进性能的?
kunchi | 2021-03-10 10:33:15    阅读:12   发布文章

原子力显微镜(AFM)是材料科学中的重要工具,用于表面的机械扫描。测量并计算在表面的原子与纳米针的尖端之间的作用力,并给出纳米级分数的分辨率。现在,澳大利亚纽卡斯尔大学正在改进和简化这些复杂的机器,以便在全世界的实验室中得到更广泛的应用。 在这项复杂的研究中,一个8通的道Spectrum NETBOX数字化仪提供了推动原子力显微镜(AFM)演进所需的高精度。

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Ruppert博士改进后的悬臂

原子力显微镜(AFM)发明于1985年,已成为全世界从事表面化学研究的实验室使用的重要工具。其出色的分辨率意味着该仪器可以比传统的光学显微镜显示更多的细节,是传统光学显微镜的1000多倍。而且,与电子显微镜等其他高级系统不同,它可以对样品进行原位成像。再加上能够进行地形成像和力的测量,使得AFM非常适合研究软生物材料,聚合物,纳米结构和其他各种材料。

在纽卡斯尔大学,Michael Ruppert博士和他的团队正在改进原子力显微镜(AFM)系统的关键要素。目的是简化操作以及提高这些显微镜的整体性能。该大学电气工程与计算机学院的精密机电实验室汇集了纳米技术、机电一体化、微机电系统(MEMS)和低噪声电子设计等方面的专业知识,创造出独特的解决方案,可以降低AFM的系统复杂性和成本。

原子力显微镜(AFM)通常通过在样品表面上扫描悬臂/尖端创建地形图。然后用激光束和对位置敏感的光电二极管检测器来确定悬臂偏转的微小变化。需要采集和分析来自检测器的信号,以确定样品表面上任何拓扑高度的变化,创建三维拓扑。

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传统的多频原子力显微镜实验的示意图设置。当纳米定位器在样品上扫描悬臂时,悬臂同时以多个共振频率振动

仪器的核心是一个微悬臂,它与样品相互作用,为测量纳米力学性能提供“物理链接”。尽管多年来悬臂式微细加工技术不断进步,但整体设计基本没有变化;无源矩形悬臂已被采用为业界广泛的标准。因此,传统的悬臂仪器需要外置压电声激励以及外置光学偏转传感器。这两种组件都不是多频AFM技术趋势的最佳选择,因为原子力显微镜(AFM)可以将成像信息扩展到拓扑以外的一系列纳米机械性能,包括样品刚度,弹性和粘附性。相比之下,在芯片级集成了激励和感测功能的有源悬臂提供了优于常规悬臂的多个独特优势,包括不存在安装系统的结构模式,可缩小规模,单芯片AFM实现,与悬臂阵列并行化等优点,以及没有光学干扰。

Ruppert博士和他的同事最近发表了一些论文,提出了新颖的集成悬臂设计,以改善原子力显微镜(AFM)的性能,简化操作并大幅减少占地面积和设备成本。这些论文讨论的主题包括创新的悬臂设计,以优化偏转灵敏度,实现共振频率的任意放置,并允许集成的鲁棒多模Q控制。Ruppert博士还与德克萨斯大学达拉斯分校合作,共同开发了首款硅绝缘体上的单芯片MEMS原子力显微镜,其特点是集成了平面内静电致动器和电热传感器,以及用于平面外致动和集成偏转传感的AlN压电层。这种方法有可能大大降低AFM的成本和复杂性,并将其实用性扩展到目前的应用之外。

 

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Michael Ruppert博士在改良的原子力显微镜中对准了定制的有源悬臂

为了进行这类研究,必须要有高精度的测量设备,以便采集和分析这些集成微悬臂的传感器信号。通过确定振幅噪声谱密度,可以得到悬臂系统的重要参数,包括共振时的热噪声、悬臂跟踪带宽和仪器的电子噪声底限。为此,研究组采用了Spectrum的NETBOX数字化仪DN2.593-08。该数字化仪有8个完全同步的数字化通道,每个通道能够以高达40MS/s的速率,16位分辨率采样信号。为了控制和数据传输, NETBOX数字化仪通过简单的Gbit以太网电缆连接到主机。

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NETBOX数字化仪

研究员Michael Ruppert博士说:“拥有像NETBOX数字化仪这样的测量工具对于我们在精密机电实验室的工作至关重要。该设备使我们能够同时对多个集成传感器区域进行高分辨率,低噪声的测量,以便正确地表征我们系统的性能。”




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