ARM的掃描探針顯微鏡的系統

納米技術是近年來快速發展的前沿學科領域之一。納米技術正在不斷應用到現代科學技術的各個領域,形成了許多與其相關的新興學科。掃描隧道顯微鏡(STM)與原子力顯微鏡(AFM)等是納米技術發展的重要基礎,也是納米科技工作者必不可少的研究工具,而且尤以原子力顯微鏡的需求更大,應用領域更為廣泛。

本文提出基于ARM的原子力顯微鏡的設計思想,對其原理和方法進行了詳細的研究,并將嵌入式操作系統應用到AFM的控制系統中,不僅具有重要的理論意義和科學價值,而且具有廣闊的應用前景。文中在總結納米科技及AFM應用技術的發展歷史和研究現狀的基礎上,對AFM的工作原理進行了深入的探討。

結合當前AFM應用技術的發展,提出了基于ARM嵌入式操作系統ARM-μCLinux的AFM控制系統的設計。系統運用ARM控制18位DAC輸出模擬信號,再經過高壓放大,控制壓電陶瓷器XYZ方向運動;系統采用16位同步ADC采集微懸臂梁的反饋信號;利用ARM多線程優勢進行數據的實時采集,并通過LAN口與PC機進行數據交換;

利用Atmega128L控制AD9851輸出0~500KHz、幅值可調的正弦波,頻率穩定度0.04Hz,幅度輸出誤差在0.2mV范圍內,在輕敲模式下,使AFM的微懸臂梁在其諧振頻率附近振蕩,從而實現輕敲式AFM掃描;通過三維步進掃描平臺可以實現大范圍掃描;通過序列圖像拼接技術最大掃描范圍可以達到90mm×90mm,拼接算法準確率達98%以上;提出了采用納米級非接觸位移傳感器作為自動進針系統的反饋系統設計方案,采用三級進針機制,控制自動進針過程,有效防止了在進針過程中導致探針損壞或過度進針導致的樣品表面損傷;

開展了氣相和液相條件下AFM系統的性能測試實驗,均獲得了清晰的樣品形貌圖像,并對樣品形貌圖像作了分析。通過氣相和液相環境下的大量實驗表明,該系統工作可靠。

主要創新點:

1、在AFM系統中,引入了ARM-μCLinux占先式嵌入式操作系統,增強了系統的實時性,并且使得系統應用軟件的更新及外圍設備驅動的開發更為容易,與其它AFM系統相比,系統的穩定性和掃描速度提高了20%以上;

2、在自動進針系統中,采用三級進針機制,引入納米級非接觸位移傳感器作為進針反饋,定位精度15nm,有效防止了進針誤操作;

3、在AFM細胞實驗應用中,提出了應用細胞形貌圖像的直方圖尋找最佳分割點,對細胞進行閾值分割,準確率達98.5%以上,并運用Log邊緣檢測算子提取細胞的邊緣特征。