一种高通量扫描探针显微成像系统

1.本实用新型实施例涉及显微成像技术，尤其涉及一种高通量扫描探针显微成像系统。


背景技术：

2.进入21世纪以来，随着科学技术的飞速发展，新材料和新技术的研究和探索日新月异；在微观尺度下研究材料的结构和性能，乃至于从材料的基本结构和成分出发，调控以至于改变材料的性能，逐渐成为人类科技发展和进步的原动力。为了得到材料的微观结构甚至原子结构信息，科学界、工艺界实用新型了一些测量方法和技术。其中，扫描透射电子显微镜(stem)、扫描探针显微镜(spm)等都是近几十年发展起来的高科技测量技术。
3.扫描探针显微镜(scanning probe microscope，spm)是国际上近年发展起来的表面分析仪器，采用扫描探针显微镜的显微成像系统用于测量例如显微镜区域内的电子材料的样品以及成像所述样品的表面形貌或测量表面特性信息。
4.然而扫描探针显微成像系统对于目标样品的多种属性需要进行多次测试导致的敏感样品的退化或多次侵入性扫描造成的样品损坏的问题。


技术实现要素：

5.本实用新型提供一种高通量扫描探针显微成像系统，以实现一次扫描获得多维测试结果数据，提高扫描效率，提升测试结果数据的分辨率的效果。
6.第一方面，本实用新型实施例提供了一种高通量扫描探针显微成像系统，包括：依次连接的波形发生器和成像装置，所述成像装置包括控制器和检测操作部分；
7.所述波形发生器用于产生激励信号，所述激励信号为至少两个子波形按预设拼接顺序合成的信号；
8.所述检测操作部分，用于将所述激励信号施加至待测目标的多个像素点以获得每个像素点对应的测试结果信号；
9.所述控制器与所述检测操作部分连接，用于将从所述波形发生器接收的所述激励信号传输至所述检测操作部分，并从所述检测操作部分接受对应的测试结果信号，并基于所述测试结果信号和拼接顺序生成待测目标的测试结果。
10.可选的，所述控制器包括：第一输入接口、第一输出接口和第二输出接口，所述波形发生器包括：第一信号输入接口、第二信号输入接口、第一信号输出接口和触发接口；所述控制器的第二输出接口与所述波形发生器的触发接口连接，用于当扫描信号达到触发点时，所述控制器将生成的触发信号传输至所述波形发生器。
11.可选的，所述波形发生器在所述成像装置扫描前生成激励信号，在所述波形发生器接收到所述控制器传输的触发信号后，所述波形发生器将激励信号转换为预设采样频率的模拟信号。
12.可选的，所述波形发生器的第一信号输出接口与波形发生器的第二信号输入接口
以及所述控制器的第一输入接口连接，用于将所述波形发生器生成的预设采样频率的模拟信号输出至所述控制器并实时进行信号记录。
13.可选的，所述控制器的第一输出接口与所述波形发生器的第一信号输入接口连接，用于将所述检测操作部分生成的所述测试结果信号输出至所述波形发生器进行数据收集。
14.可选的，高通量扫描探针显微成像系统还包括终端设备；
15.所述终端设备与波形发生器和成像装置连接，用于对所述波形发生器和所述成像装置进行控制，且将所述波形发生器收集的数据进行后处理和显示。
16.可选的，所述检测操作部分包括扫描探针，所述扫描探针依次将所述激励信号施加至待测目标的多个像素点以获得每个像素点对应的测试结果信号。
17.可选的，所述检测操作部分包括悬臂梁，所述悬臂梁与所述扫描探针连接，所述悬臂梁根据所述扫描探针与所述待测目标之间的相互作用力进行偏转或振动；所述测试结果信号根据激光照射在所述悬臂梁上形成的反射光的偏移量确定。
18.可选的，所述子波形具有不同特性参数，所述不同特征参数包括不同频率、不同周期、不同幅值和不同相位中的一种或多种。
19.本实用新型通过波形发生器产生至少两个子波形按预设拼接顺序合成的激励信号，成像装置中的检测操作部分将激励信号施加至待测目标的多个像素点并获取每个像素点对应的测试结果信号，成像装置中的控制用于将从波形发生器接收的激励信号传输至检测操作部分，并从检测操作部分接受对应的测试结果信号，并基于测试结果信号和拼接顺序生成待测目标的测试结果；解决了对于目标样品的多种属性需要进行多次测试导致的敏感样品的退化或多次侵入性扫描造成的样品损坏的问题，达到了一次扫描获得多维物性测试结果数据，提高扫描效率，提升测试结果数据的分辨率的效果。
附图说明
20.图1为本实用新型实施例提供的一种高通量扫描探针显微成像系统的结构示意图；
21.图2为本实用新型实施例提供的一种高通量扫描探针显微成像系统获得的响应信号在时域中的示意图；
22.图3为本实用新型实施例提供的一种高通量扫描探针显微成像系统获得的响应信号在频域中的示意图；
23.图4为本实用新型实施例提供的一种波形发生器和成像装置连接示意图；
24.图5为本实用新型实施例提供的一种高通量扫描探针显微成像系统的信号同步的示意图；
25.图6为本实用新型实施例提供的另一种高通量扫描探针显微成像系统的结构示意图。
具体实施方式
26.下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说
明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。
27.如图1所示，一种高通量扫描探针显微成像系统，包括：依次连接的波形发生器100和成像装置200，所述成像装置200包括控制器210和检测操作部分220；
28.所述波形发生器100用于产生激励信号，所述激励信号为至少两个子波形按预设拼接顺序合成的信号；
29.所述检测操作部分220，用于将所述激励信号施加至待测目标的多个像素点以获得每个像素点对应的测试结果信号；
30.所述控制器210与所述检测操作部分220连接，用于将从所述波形发生器100接收的所述激励信号传输至所述检测操作部分220，并从所述检测操作部分220接受对应的测试结果信号，并基于所述测试结果信号和拼接顺序生成待测目标的测试结果。
31.可选的，所述子波形具有不同特性参数，所述不同特征参数包括不同频率、不同周期、不同幅值和不同相位中的一种或多种。
32.在波形发生器100产生激励信号之前，需要提前设定好起始频率、结束频率、驱动电压、仪器采样率、拟合点数等参数进行信号的定制，根据上述参数换算生成一系列等差频率的波形，再将生成的各频率信号进行拼接，以使用此信号波形激励扫描区域获得多维物性丰富的扫描信息，实现简单高效地获取高物理相关度的大数据的效果。换算过程中需要用到的中间参数有频率差间隔、每频率的周期数、相位滞后等。示例性的，扫描区域的频率区间为330khz-360khz，通常使用15个频率点覆盖该区间，故频率间隔为2khz。
33.基于所述测试结果信号和拼接顺序生成待测目标的测试结果，具体包括：根据所述测试结果信号和拼接顺序生成所述待测目标的多个测试数据，将多个所述测试数据通过对应物理模型拟合得到所述待测目标中与不同特性参数对应的多个测试结果。其中，所述多个测试结果对应所述目标的多种固有属性。例如，振幅、相位偏移、谐振频率和品质因数等。
34.可选的，所述检测操作部分220包括扫描探针，所述扫描探针依次将所述激励信号施加至待测目标的多个像素点以获得每个像素点对应的测试结果信号。
35.检测操作部分220的扫描探针将激励信号依次施加于待测目标的多个像素点，扫描探针的针尖与待测目标的像素点之间产生极微弱的原子间相互作用力，根据极微弱的原子间相互作用力来研究待测目标的表面结构及性质。
36.可选的，所述检测操作部分220包括悬臂梁，所述悬臂梁与所述扫描探针连接，所述悬臂梁根据所述扫描探针与所述待测目标之间的相互作用力进行偏转或振动；所述测试结果信号根据激光照射在所述悬臂梁上形成的反射光的偏移量确定。
37.悬梁臂一端与扫描探针连接，另一端固定，扫描探针的针尖与待测目标之间的相互作用力将使得与扫描探针连接的悬悬臂梁发生形变或运动状态发生变化，利用激光将光照射在悬梁臂的末端，其反射光的位置会因为悬臂梁摆动而有所改变，结合反射光的位置改变就可以测出并放大悬梁臂微小的偏移量，在整个系统中是依靠激光光斑位置检测器将偏移量记录下并转换成电的信号，以供控制器作信号处理。
38.将悬臂梁在每个像素处的偏转信号记录在时域中，再将其变换至对应的频域中，即将测试结果信号通过傅里叶变化后得到频域图。
39.示例性的，测试结果是收集到的样品响应信号，响应信号在时域中如图2所示，傅
里叶变化后可得到频域图，如图3所示，可以看到样品对不同频率的信号响应不同，由于共振效应越接近样品本征频率时响应强度也越大，因此本实施例提供的技术方案比传统的其他技术可以更好的覆盖整个共振峰频率段，从而获得更可靠的响应信息。
40.在上述技术方案的基础上，如图4和如图5所示，可选的，所述控制器包括：第一输入接口input1、第一输出接口output1和第二输出接口output2，所述波形发生器包括：第一信号输入接口signal output1、第二信号输入接口signal input2、第一信号输出接口signal output1和触发接口ref/trigger；所述控制器的第二输出接口output2与所述波形发生器的触发接口ref/trigger连接，用于当扫描信号达到触发点时，所述控制器将生成的触发信号传输至所述波形发生器。
41.可选的，所述波形发生器在所述成像装置扫描前生成激励信号，在所述波形发生器接收到所述控制器传输的触发信号后，所述波形发生器将激励信号转换为预设采样频率的模拟信号。
42.触发信号在连接控制器的spm软件内载入，当扫描信号达到触发点时同步触发，从控制器第二输出接口output2输出至波形发生器的触发接口ref/trigger，当波形发生器接收到触发信号时，波形发生器开始将生成的激励信号转换为预设采样频率的模拟信号，同时，不同子波对应生成的不同模拟信号之间由所预留的固定长度的空白值进行标记，而不同行的模拟信号之间由触发信号进行标记，便于后处理时识别和分割不同子波产生的响应信号。
43.可选的，所述波形发生器的第一信号输出接口signal output1与波形发生器的第二信号输入接口signal input2以及所述控制器的第一输入接口input1连接，用于将所述波形发生器生成的预设采样频率的模拟信号输出至所述控制器并实时进行信号记录。
44.控制器将模拟信号传输至检测操作部分，然后通过扫描探针依次将模拟信号施加至待测目标的多个像素点，多个像素点呈矩阵排列；具体的，参考图5，扫描探针对待测目标的像素点按行顺序进行正扫和回扫的往返扫描。波形发生器输出的模拟信号通过波形发生器的第二信号输入接口接收并记录。
45.可选的，所述控制器的第一输出接口output1与所述波形发生器的第一信号输入接口signal input1连接，用于将所述检测操作部分生成的所述测试结果信号输出至所述波形发生器进行数据收集。
46.波形发生器与高速数据采集系统可以为分离式和集成式，参考图6，本实施例中采用集成式，即波形发生器100中集成了高速数据采集系统110，在预设采样频率的模拟信号发送至扫描探针上时，同时触发超高频数据采集系统110开始接收响应信号，将扫描探针振动的全时域响应以高通量数据流方式经采集卡转存至波形发生器。进一步的，若采用分离式的波形发生器与高速数据采集系统，则将控制器的第一输出接口output1与高速数据采集系统的输入端连接，对测试结果信号进行收集。
47.同时控制器的反馈系统也会将此信号当作反馈信号，作为内部的调整信号，并驱动扫描探针做适当的移动，以保持待测目标与针尖保持合适的作用力。
48.继续参考图5，其中，通过预先调整输入波形从而调整输入的模拟信号，实现触发信号和激励信号的同步。测试结果信号为收集到的样品响应信号，当检测操作部分进行新一行扫描时，波形发生器与数据采集卡同时被触发工作，每个扫描像素点都按时序接受激
励，扫描探针对同一行像素点进行正扫和回扫产生的响应信号之间的存在一定时间间隔，该时间间隔足以让高频数据采集系统将测试结果数据收集并传输至后处理器进行初步的实时分析。
49.可选的，高通量扫描探针显微成像系统还包括终端设备；
50.所述终端设备与波形发生器和成像装置连接，用于对所述波形发生器和所述成像装置进行控制，且将所述波形发生器收集的数据进行后处理和显示。
51.终端设备为计算机，计算机与波形发生器连接，可通过计算机的matlab软件对波形发生器生成的波形进行设计，示例性的，通过matlab预先设计一系列离散频率正弦激励按序联结发送至波形发生器，并且调整波形长度与成像装置扫描速率使得每一行扫描时长与信号激励时长严格一致，误差控制在小于单像素点扫描时间的三分之一，以防止激励信号错位施加于临近像素点。
52.在电脑接收到响应信号数据后，由电脑上的matlab对收集到的响应信号进行分段切割，还原解析相位振幅，具体为经过降噪和解调，得到各像素点在不同模态频谱下的特征信息，分别画至复平面，再由带阻尼的简谐振子模型、快速圆拟合算法求得本征振幅、相位，最终重构成幅值、相位图，对应待测目标的多种属性。其中，触发信号与不同子波的预设拼接顺序对应，可根据触发信号对应的测试结果信号对响应信号数据进行分割。
53.本实施例的技术方案，通过波形发生器产生至少两个子波形按预设拼接顺序合成的激励信号，成像装置中的检测操作部分将激励信号施加至待测目标的多个像素点并获取每个像素点对应的测试结果信号，成像装置中的控制器用于将从波形发生器接收的激励信号传输至检测操作部分，并从检测操作部分接受对应的测试结果信号，并基于测试结果信号和拼接顺序生成待测目标的测试结果；解决了对于目标样品的多种属性需要进行多次测试导致的敏感样品的退化或多次侵入性扫描造成的样品损坏的问题，达到了一次扫描获得多维物性测试结果数据，提高扫描效率，提升测试结果数据的分辨率的效果。
54.注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。