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高速數據采集卡是如何幫助原子力顯微鏡改進性能的?

文章出處:網責任編輯:作者:人氣:-發表時間:2021-02-26 16:13:00

原子力顯微鏡(AFM)是材料科學中的重要工具,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,并給出納米級分數的分辨率。現在,澳大利亞紐卡斯爾大學正在改進和簡化這些復雜的機器,以便在全世界的實驗室中得到更廣泛的應用。 在這項復雜的研究中,一個8通的道Spectrum NETBOX數字化儀提供了推動原子力顯微鏡(AFM)演進所需的高精度。

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Ruppert博士改進后的懸臂

原子力顯微鏡(AFM)發明于1985年,已成為全世界從事表面化學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的光學顯微鏡顯示更多的細節,是傳統光學顯微鏡的1000多倍。而且,與電子顯微鏡等其他高級系統不同,它可以對樣品進行原位成像。再加上能夠進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,納米結構和其他各種材料。

在紐卡斯爾大學,Michael Ruppert博士和他的團隊正在改進AFM系統的關鍵要素。目的是簡化操作以及提高這些顯微鏡的整體性能。該大學電氣工程與計算機學院的精密機電實驗室匯集了納米技術、機電一體化、微機電系統(MEMS)和低噪聲電子設計等方面的專業知識,創造出獨特的解決方案,可以降低AFM的系統復雜性和成本。

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撲高度的變化,創建三維拓撲。

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傳統的多頻原子力顯微鏡實驗的示意圖設置。當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,為測量納米力學性能提供“物理鏈接”。盡管多年來懸臂式微細加工技術不斷進步,但整體設計基本沒有變化;無源矩形懸臂已被采用為業界廣泛的標準。因此,傳統的懸臂儀器需要外置壓電聲激勵以及外置光學偏轉傳感器。這兩種組件都不是多頻AFM技術趨勢的最佳選擇,因為AFM可以將成像信息擴展到拓撲以外的一系列納米機械性能,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于常規懸臂的多個獨特優勢,包括不存在安裝系統的結構模式,可縮小規模,單芯片AFM實現,與懸臂陣列并行化等優點,以及沒有光學干擾。

Ruppert博士和他的同事最近發表了一些論文,提出了新穎的集成懸臂設計,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備成本。這些論文討論的主題包括創新的懸臂設計,以優化偏轉靈敏度,實現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達拉斯分校合作,共同開發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傳感的AlN壓電層。這種方法有可能大大降低AFM的成本和復雜性,并將其實用性擴展到目前的應用之外。

 

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

為了進行這類研究,必須要有高精度的測量設備,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,可以得到懸臂系統的重要參數,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數字化儀DN2.593-08。該數字化儀有8個完全同步的數字化通道,每個通道能夠以高達40MS/s的速率,16位分辨率采樣信號。為了控制和數據傳輸, NETBOX數字化儀通過簡單的Gbit以太網電纜連接到主機。

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NETBOX數字化儀

研究員Michael Ruppert博士說:“擁有像NETBOX數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重要。該設備使我們能夠同時對多個集成傳感器區域進行高分辨率,低噪聲的測量,以便正確地表征我們系統的性能。”


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