状态激励轻敲模式原子力显微镜的设计与仿真

　　轻敲模式原子力显微镜(TM-AFM)又称幅度调制原子力显微镜，是目前应用最为广泛的纳米尺度的显微分析方法和操作手段之一[1 ～ 3]。在 TM-AFM中，悬臂被激励在其共振频率附近振动。当悬臂接近样品表面时受到来自样品的作用力使其振幅减小，将悬臂振幅作为反馈参数，通过调整悬臂与样品间的距离来维持悬臂振幅恒定，在样品表面逐点记录调整量就得到了样品表面三维形貌。TM-AFM 已广泛应用于大气和液态环境下，得到了无机物表面的原子像和 DNA、病毒等生物分子的高分辨率图像[4 ～ 7]。在 TM-AFM 装置中，为了给悬臂一个恒幅激励，通常需要一个信号发生电路。信号发生电路多由 DDS 等数字芯片及外围电路构成，较为复杂。

　　在 TM-AFM 中，悬臂的品质因数影响着成像的灵敏度和带宽。为了改善系统的性能，出现了通过辅助电路来调节悬臂等效品质因数的 Q 控制技术[8，9]。其原理是将悬臂的振动信号经过移相放大后加到悬臂振动的激励信号中。在增加系统带宽和提高系统灵敏度方面 Q 控制技术已经取得了显著成果[7，10，11]。在此基础上的状态反馈是将悬臂振动的形变、速度两个状态的某种组合经过放大后加到悬臂的激励信号中，这样不仅能调节悬臂的等效品质因数还能 调节悬臂 的等效 弹 性 常数，从而对悬臂的动态性能进行更好的控制[12，13]。

　　实现状态反馈需要在 TM-AFM 装置的基础上增加移相放大电路。移相放大电路可由简单的模拟芯片构成，结构简单。

　　近年来出现的数值仿真法是继实验法、解析法之后的一种原子力显微镜原理分析方法，又称虚拟原子力显微镜[14]。该方法用于对原子力显微镜系统进行原理、性能分析，既能避免实验法中多种因素间的相互干扰使分析更有针对性，又能弥补解析法中不能体现系统动态过程的缺陷，因此得到了越来越广泛的应用[14 ～ 18]。虚拟原子力显微镜不仅有助于研究悬臂的动态特性，还能为原子力显微镜的新技术提供理论验证和技术指导。

　　本文提出了TM-AFM 的一种状态激励方式———在带有状态反馈的 TM-AFM 基础上，除去原有的外加激励信号，并引入一个自动增益控制环节，用于维持状态反馈信号的幅度恒定，仅靠状态反馈信号激励悬臂振动。该方法能够改进传统 TM-AFM装置，使其不再依赖信号发生电路，提高了 TM-AFM系统结构的紧凑性。通过对状态信号的调节能够实现对悬臂等效品质因数和等效弹性系数的控制，有助于改善悬臂的动态性能。采用 Matlab/Simulink工具建立状态激励 TM-AFM 的仿真模型，通过对一系列典型实验的仿真证明了状态激励 TM-AFM 技术的可行性，为该技术的实验研究提供了依据。