在SPM通用平台上自己开发组装扫描探针显微镜

　　1　前　言

　　纳米科技是21世纪影响人类的关键技术。扫描探针显微镜(SPM)作为纳米结构检测和评估的必备工具,发展非常快,从1982年第一台STM诞生以来,短短20年的时间,就已经产生了二十几个种类。但是由于SPM涉及多学科专业知识,技术含量很高,而且除了STM,AFM以外,大多数SPM仪器应用面都比较狭窄。因此,国际上只有为数不多的十几家企业可以同时生产几种SPM仪器,而国产SPM仪器种类和厂商就更少了。这种现状局限了纳米技术在多专业应用领域更广泛,更深入,更快速的发展。

　　SPM通用平台提供了一种开发生产SPM仪器的新思路和新方法,其核心思想是将SPM仪器分解成两个大部分,即SPM通用平台和特征部分。通用平台包括几个独立的模块,囊括了各种SPM仪器所共有的功能;特征部分包括各种SPM探针结构及相应的信号前置放大器,是各种SPM所特有的功能部分。通用平台与特征部分之间有标准接口和扩展接口。在通用平台上搭配不同的特征部分,就组装成了各种SPM仪器。或者针对一些应用比较专业而且生僻的SPM,由用户按照公开的标准接口和扩展接口定义,自己开发所需的特征部分。如此,就可以在SPM通用平台上开发组装出各种SPM仪器,以充实国产SPM仪器种类,促进SPM在多专业领域的应用。

　　由于SPM通用平台规范的模块化设计,标准的接口版本定义和软件的用户级开发模板和程序封装技术,使得SPM仪器也可以像PC机一样,拥有很强的兼容性,各种类间的升级换代,新功能的二次开发,软件的资源共享都可以像PC机一样方便。这些好处已经在我公司的产品系列中得到了验证。

　　2　SPM通用平台基本原理、技术指标及功能扩展

　　2.1　SPM通用平台的基本原理及组成

　　SPM的工作原理是基于微观或介观范围的各种物理特性,通过原子线度的极细探针在被研究物质的表面上方扫描时检测两者之间的相互作用,以得到被研究物质的表面特性。因此不同类型的SPM之间的主要区别在于它们的针尖特性及其相应的针尖-样品相互作用方式的不同,以及相应的前置信号处理/放大电路。根据这一点,我们设计了SPM通用平台,其核心思想是将SPM仪器分解成两个大部分,即SPM通用平台和特征部分。通用平台包括扫描驱动系统,马达驱进系统,环境减震机构,反馈控制系统,AD/DA转换系统,DIO等计算机接口,通用的图像处理软件七个组成部分,是各种SPM仪器所共有的功能部分;特征部分包括各种SPM探针结构、相应的信号前置放大器及相应的软件控制模型。将通用平台划分成几个独立的模块,模块之间有标准接口,通用平台与特征部分之间也有标准接口和扩展接口,并且开放这些接口的定义。这样就构成了SPM仪器的通用平台。