Spectrum高速数据采集卡助力研究人员改进原子力显微镜性能

原子力显微镜（AFM）机械扫描是材料科学中的重要工具。测量和计算表面原子与纳米针尖端之间的力，并给出纳米分数的分辨率。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，以便在世界各地的实验室中得到更广泛的应用。 在这项复杂的研究中，一条8通道Spectrum NETBOX数字了数字化仪器的推广AFM演变所需的高精度。

Ruppert医生改进后的悬臂

原子力显微镜（AFM）发明于1985年，已成为世界各地从事表面化学研究的实验室的重要工具。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。此外，与电子显微镜等高级系统不同，它可以原位成像样品。此外，可以测量地形成像和力，使AFM非常适合研究软生物材料、聚合物、纳米结构等材料。

在纽卡斯尔大学，Michael Ruppert医生和他的团队正在进步AFM系统的关键要素。目的是简化操作，提高这些显微镜的整体性能。大学电气工程与计算机学院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)以及低噪声电子设计的专业知识，创造独特的解决方案，可以减少AFM系统复杂性和成本。

AFM悬臂/尖端通常通过扫描样品表面来创建地形图。然后使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。为了确定样品表面拓扑高度的任何变化，创建三维拓扑，需要从检测器中收集和分析信号。

多频原子力显微镜实验的传统示意图设置。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。虽然悬臂微加工技术多年来不断进步，但整体设计基本没有变化；无源矩形悬臂已被广泛应用于行业。因此，传统的悬臂仪器需要外部压电声激励和外部光学偏转传感器。这两个组件都不是多频的AFM由于技术趋势的最佳选择，AFM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、弹性和附着力。相比之下，集成芯片级激励和感知功能的有源悬臂提供了许多独特的优点，包括没有安装系统的结构模式，可以缩小单芯片的规模AFM实现与悬臂阵列并行化的优点，无光学干扰。

Ruppert医生和他的同事最近发表了一些论文，提出了新颖的综合悬臂设计，以改进AFM简化操作性能，大大降低占地面积和设备成本。本文的主题包括创新的悬臂设计，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开发了第一个硅绝缘体单芯片MEMS原子力显微镜的特点是平面内静电致动器和电热传感器的集成，以及平面外静电致动器和偏转传感器的集成AlN压电层。这种方法可能会大大降低AFM成本和复杂性，并将其实用性扩展到当前的应用程序。

Michael Ruppert在改进的原子力显微镜中，医生瞄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。悬臂系统的重要参数可以通过确定振幅噪声谱密度来获得，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。该数字仪有8个完全同步的数字通道，每个通道可达40个MS/s16位分辨率采样信号的速率。控制和数据传输， NETBOX通过简单的数字化仪器Gbit连接到主机的以太网电缆。

&nbp;                                                                                                                                                                                 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。”