原子力顯微鏡（AFM）是材料科學(xué)中的重要工具，用于表面的機械掃描。測量并計算在表面的原子與納米針的尖端之間的作用力，并給出納米級分?jǐn)?shù)的分辨率?，F(xiàn)在，澳大利亞紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)正在改進(jìn)和簡化這些復(fù)雜的機器，以便在全世界的實驗室中得到更廣泛的應(yīng)用。 在這項復(fù)雜的研究中，一個8通的道Spectrum NETBOX數(shù)字化儀提供了推動原子力顯微鏡（AFM）演進(jìn)所需的高精度。

Ruppert博士改進(jìn)后的懸臂

原子力顯微鏡（AFM）發(fā)明于1985年，已成為全世界從事表面化學(xué)研究的實驗室使用的重要工具。其出色的分辨率意味著該儀器可以比傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡顯示更多的細(xì)節(jié)，是傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡的1000多倍。而且，與電子顯微鏡等其他高級系統(tǒng)不同，它可以對樣品進(jìn)行原位成像。再加上能夠進(jìn)行地形成像和力的測量，使得AFM非常適合研究軟生物材料，聚合物，納米結(jié)構(gòu)和其他各種材料。

在紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)，Michael Ruppert博士和他的團(tuán)隊正在改進(jìn)AFM系統(tǒng)的關(guān)鍵要素。目的是簡化操作以及提高這些顯微鏡的整體性能。該大學(xué)電氣工程與計算機學(xué)院的精密機電實驗室匯集了納米技術(shù)、機電一體化、微機電系統(tǒng)(MEMS)和低噪聲電子設(shè)計等方面的專業(yè)知識，創(chuàng)造出獨特的解決方案，可以降低AFM的系統(tǒng)復(fù)雜性和成本。

原子力顯微鏡（AFM）通常通過在樣品表面上掃描懸臂/尖端創(chuàng)建地形圖。然后用激光束和對位置敏感的光電二極管檢測器來確定懸臂偏轉(zhuǎn)的微小變化。需要采集和分析來自檢測器的信號，以確定樣品表面上任何拓?fù)涓叨鹊淖兓?，?chuàng)建三維拓?fù)洹?

傳統(tǒng)的多頻原子力顯微鏡實驗的示意圖設(shè)置。當(dāng)納米定位器在樣品上掃描懸臂時，懸臂同時以多個共振頻率振動

儀器的核心是一個微懸臂，它與樣品相互作用，為測量納米力學(xué)性能提供“物理鏈接”。盡管多年來懸臂式微細(xì)加工技術(shù)不斷進(jìn)步，但整體設(shè)計基本沒有變化；無源矩形懸臂已被采用為業(yè)界廣泛的標(biāo)準(zhǔn)。因此，傳統(tǒng)的懸臂儀器需要外置壓電聲激勵以及外置光學(xué)偏轉(zhuǎn)傳感器。這兩種組件都不是多頻AFM技術(shù)趨勢的最佳選擇，因為AFM可以將成像信息擴(kuò)展到拓?fù)湟酝獾囊幌盗屑{米機械性能，包括樣品剛度，彈性和粘附性。相比之下，在芯片級集成了激勵和感測功能的有源懸臂提供了優(yōu)于常規(guī)懸臂的多個獨特優(yōu)勢，包括不存在安裝系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式，可縮小規(guī)模，單芯片AFM實現(xiàn)，與懸臂陣列并行化等優(yōu)點，以及沒有光學(xué)干擾。

Ruppert博士和他的同事最近發(fā)表了一些論文，提出了新穎的集成懸臂設(shè)計，以改善原子力顯微鏡（AFM）的性能，簡化操作并大幅減少占地面積和設(shè)備成本。這些論文討論的主題包括創(chuàng)新的懸臂設(shè)計，以優(yōu)化偏轉(zhuǎn)靈敏度，實現(xiàn)共振頻率的任意放置，并允許集成的魯棒多模Q控制。Ruppert博士還與德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校合作，共同開發(fā)了首款硅絕緣體上的單芯片MEMS原子力顯微鏡，其特點是集成了平面內(nèi)靜電致動器和電熱傳感器，以及用于平面外致動和集成偏轉(zhuǎn)傳感的AlN壓電層。這種方法有可能大大降低AFM的成本和復(fù)雜性，并將其實用性擴(kuò)展到目前的應(yīng)用之外。

 

Michael Ruppert博士在改良的原子力顯微鏡中對準(zhǔn)了定制的有源懸臂

為了進(jìn)行這類研究，必須要有高精度的測量設(shè)備，以便采集和分析這些集成微懸臂的傳感器信號。通過確定振幅噪聲譜密度，可以得到懸臂系統(tǒng)的重要參數(shù)，包括共振時的熱噪聲、懸臂跟蹤帶寬和儀器的電子噪聲底限。為此，研究組采用了Spectrum的NETBOX數(shù)字化儀DN2.593-08。該數(shù)字化儀有8個完全同步的數(shù)字化通道，每個通道能夠以高達(dá)40MS/s的速率，16位分辨率采樣信號。為了控制和數(shù)據(jù)傳輸， NETBOX數(shù)字化儀通過簡單的Gbit以太網(wǎng)電纜連接到主機。

NETBOX數(shù)字化儀

研究員Michael Ruppert博士說：“擁有像NETBOX數(shù)字化儀這樣的測量工具對于我們在精密機電實驗室的工作至關(guān)重要。該設(shè)備使我們能夠同時對多個集成傳感器區(qū)域進(jìn)行高分辨率，低噪聲的測量，以便正確地表征我們系統(tǒng)的性能?！?