用于基于悬臂的仪器的完全数字化的控制器

摘要

一种用于基于悬臂的仪器的控制器，基于悬臂的仪器包括原子力显微镜、分子力探测仪器、高分辨率轮廓测定器和化学或生物传感检测器。该控制器用非常快的模数转换器(35)对通常用来检测这些仪器中悬臂偏转的光电检测器的输出进行取样。然后用现场可编程门阵列(31)和数字信号处理器(32)来处理所获得的输出信号的数字化表示，而不使用模拟电子电路。

说明书

发明背景和概述

本发明涉及一种用于控制基于悬臂的仪器的操作的装置，以及使用该装置的一般方法，该装置尽可能地使用了数字电子技术。

基于悬臂的仪器包括这样的仪器，像是原子力显微镜、分子力探测仪器、高分辨率轮廓测定器和化学或生物传感检测器。原子力显微镜(AFM)是一种基于光栅扫描(rastering)所获得的信息产生表面形貌(和其它试样特征)图像的装置，其中所述光栅扫描是利用在悬臂末端的尖锐探针扫过试样表面进行的。在光栅扫描的同时所检测到的悬臂偏转或悬臂振动的变化对应于试样表面形貌(或其它)特征。偏转或振动的变化通常经由光杠杆装置来检测。也使用许多其它的检测方法，包括隧道检测、干涉测量法、压电响应(应变计)和电容。如果使用的是光杠杆装置，将光束指向与光杠杆在同样的参照系下的悬臂上。从悬臂反射回的光束照射到一个位置灵敏检测器(PSD)。PSD上反射斑点(reflected spot)的位置会随着悬臂偏转或振动的变化而变化，从而导致PSD的输出改变。通常利用悬臂偏转或振动的变化来促使悬臂基座相对于试样的垂直位置改变，从而将偏转或振动保持在一个恒定的预定值。就是这种反馈产生了AFM图象。AFM能以许多不同的图像模式来操作，其中所述图像模式包括接触模式和振动模式，在接触模式下悬臂的尖端持续接触试样表面，而在振动模式下所述尖端不会接触表面或仅仅间歇地接触表面。可以利用光杠杆装置收集与悬臂有关的其它信息，包括振动的相位或频率、或者同相和90度相位移响应，这种信息用来形成试样图像。这些图像具有各种含义，包括试样弹性、耗散和粘附性。通过这种方式将各种表面形貌特征与其它的机械、化学和电学特征联系起来是可能的。

图1示出了一种典型的现有技术的光杠杆系统。在这一系统中，光束2优选由具有足够强度但缺少定向或其它干扰的光源1(包括超荧光二极管或激光器)形成，导引光束2通过瞄准透镜或透镜组件3和聚焦透镜或透镜组件5，到达镜面6上，镜面6将聚焦光束7导引到悬臂8上的某个特定斑点，其中悬臂8与光杠杆系统在相同的参照系下。然后反射光束9被光学检测装置收集，并照射到位置灵敏检测器10(PSD)，其中所述光学检测装置通常包括调节镜13和平移工作台以偏移光束位置(未示出)。

不同的AFM具有不同的方案来使尖端在试样上进行光栅扫描，同时检测悬臂偏转或振动并校正悬臂基座的垂直位置。题为“AtomicForce Microscope with Optional Replaceable Fluid Cell”的美国专利Re34,489描述了一种AFM，其中试样安装在压电管扫描装置上，该装置位于静止悬臂下。压电管确定了试样在所有三维方向上的位置。另一种AFM在题为“Compact Atomic Force Microscope”的美国专利5,025,658被描述。在这种AFM中试样是静止的，被置于一个带有悬臂的压电管扫描装置的下方。压电管确定试样在所有三维方向上的位置。第三种AFM在发明人的题为“Improved Linear Variable DifferentialTransformers for High Precision Position Measurements”的、共同待决的专利申请10/016,475中被描述。在这种AFM中，试样被安装在精密工作台上，该工作台利用压电叠层来确定试样在x和y方向上的位置，而悬臂被安装在试样上方的第三压电叠层上，以确定悬臂在z方向上的位置。因此消除了x-y位置与z位置之间的相互影响。所有的三维方向都用线性可变差动变换器来检测，从而提供精确的位置信息。这三种AFM的更加详细的描述可在上面所引用的专利和申请中得到。

以前，解析PSD输出、计算悬臂基座相对于试样的垂直位置变化以将悬臂的偏转或振动(“误差信号”)保持在一个恒定的预定值、传递实现这种变化以及形成试样图像所必需的信号是采用模拟电路形式的电子电路，但在近来的应用中是采用模拟数字混合电路。模拟电路和模拟/数字混合电路也被用来检测悬臂的相位或频率或同相和90度相移响应，其中可得到那些特征。实施这种电路的装置的资源(repository)通常被称为控制器，尽管在某些情况下一些装置会被放入计算机中，该计算机作为用户和控制器之间的接口。

本发明的发明人是要解决控制器中的模拟电子电路在AFM或其它基于悬臂的仪器的操作过程中经常产生干扰和其它问题。因此，这里所公开的发明在控制器中的关键部位将会使用数字电子电路从而可以改进性能并提高灵活性。我们也包括了基于混合模拟/电子装置的改进的信号路由能力，从而大大提高了仪器的灵活性。这种新的结构能够具有和以往的AFM控制器完全一样的全部功能，也能具有大量的新功能，这些新功能在以前用模拟电路是不可能实现的。

模拟电路用信道锁定放大器(signal channel lock-in amplifier)来测量悬臂和驱动信号之间的相移。图2示出了此类放大器的一个典型示例。AFM在此是以振动模式操作的，由振动器20产生悬臂的振动，来自振动器20的信号也被路由通过移相器21。相位相关信号是通过对来自移相器21的参考信号和经过自动增益控制(AGC)22的来自PSD(未示出)的信号23进行简单的模拟相乘得到的，而且低通滤波25会输出该相位相关信号。相乘是通过模拟的混频器或乘法器24执行的。此类电路的输出由悬臂相位决定。测量值与相位角的余弦成比例，为一次方关系。这种方法实施起来很简单，但是因为它的非线性和自动增益控制电路固有的局限性，对于大相位角而言就很不精确。

图3示出另一种现有技术的模拟信号处理电路，一种两相锁定放大器。在这个现有技术的电路中，来自PSD(未示出)的信号26(无自动增益控制)是根据0度参考信号(“同相”分量，即“I”)和90度参考信号(“90度相移”分量，即“Q”)来进行模拟乘法操作，而且低通滤波25为各自的输出。每个乘法操作是通过模拟混频器(或乘法器)24进行的。这种电路依赖于数字器件，一种直接数字合成器27，来获取控制悬臂振动的信号(振动是由压电元件物理地实现的，该压电元件未示出)和该信号的正交信号。然而，这两个信号在进行模拟乘法之前都经过数模转换器(DAC)28。同样地，来自模拟乘法器24的输出经过另一个数字器件，一种数字信号处理器(DSP)29，在这里根据同相信号和正交信号来计算幅度和相位。这也需要转换器，在这种情况下是模数转换器(ADC)30。在某些情况下，这种DSP并不是控制器的一个物理部分，而是置于计算机母板的一个插卡上。它比信道锁定放大器能产生更令人满意的相位结果，因为它不受到自动增益控制所引起的限制，而且在这种情况下的相位在数学上是正确的。不管如何，模拟电子电路在干扰和非线性方面都产生高代价。这种方法的主要缺点是它仍然依赖于模拟放大器。这些器件本身是有噪音的、非线性的，并具有与频率和温度相关的误差和输出信号中混频参考信息的渗通(bleed-through)。

除了已经讨论的缺陷和不足，现有技术的控制器也有严重的升级局限性。通常，它们需要购买新的硬件箱、卡、模块或一些其它的附加装置来改变它们的功能或加入新的特征。更糟糕的是，可能需要将整个控制器返回到厂家仅仅是为了解决一个硬件缺陷这样的琐碎事情。

附图说明

图1：现有技术，示出了用于原子力显微镜的光学检测器，悬臂位于检测器的参照系下。

图2：方框图，示出了一种位于原子力显微镜的控制器中的用于振动模式的现有技术的单信道锁定放大器。

图3：方框图，示出了一种原子力显微镜控制器中的用于振动模式的现有技术的两信道锁定放大器。

图4：方框图，描述了本发明所公开的控制器。

图5：详细方框图，描述了图4中所示的现场可编程门阵列。

图6：详细方框图，描述了图4中所示的数字信号处理器。

图7：详细方框图，描述了图4中所示的交叉点接线器。

图8：毫微光刻(nanolithography)实例。

图9：毫微操作(nanomanipulation)实例。

具体实施方式

如上所述，本文所公开的本发明是一种用于AFM和其它基于悬臂的仪器的控制器，其在控制器中的关键部位使用数字电子电路从而可以改进性能并提高灵活性。我们也包括了基于混合模拟/电子装置的改进的信号路由能力，从而大大提高了仪器的灵活性。这种新的结构能够具有和以往的AFM控制器完全一样的全部功能，也能具有大量的新功能，这些新功能在以前用模拟电路是不可能实现的。

不经过改动，所公开的控制器不能和如下的AFM一起使用，该AFM使用压电管扫描装置使尖端在试样上进行光栅扫描，同时检测悬臂偏转或振动并校正悬臂基座的垂直位置。这包括前面已经讨论过的在美国专利Re34,489和美国专利5,025,658中公开的AFM。所公开的控制器可以与发明人的共同等决的申请10/016,475中公开的AFM或类似结构的AFM一起使用。所公开的控制器也便于使用来自上述申请中公开的那类LVDT的反馈，从而更精确地控制AFM的操作。

图4所示为这个新控制器的基本示意图。所公开的控制器的三个主要元件在提供数字方案方面特别重要，从而提高性能。这些元件是现场可编程门阵列(FPGA)31、数字信号处理器(DSP)32和交叉点接线器33。下面将会分开讨论这些元件中的每一个。

图4的剩余部分包括到AFM的连接(“电缆到显微镜”)、到计算机接口的连接(“USB到PC”)、允许用户对不同控制器功能进行输入的各种BNC(同轴电缆接插件)和三个高压放大器(“HV Amp”)，这三个高压放大器用来将模拟驱动信号传递到x-y扫描装置和控制悬臂z位置的压电元件。如所示的那样，所示的被公开的控制器图是通过编程进行振动模式的成像。这意味着作为一个教育结构(pedagogicalconstruction)，其它大量的设置都易于进行编程。在这个实例中，来自PSD(未示出)的模拟悬臂偏转信号(图4左上角处的“From CantileverDeflection”)经过高通滤波以去除任何直流信号，并被供给到交叉点接线器33左侧的输入端口4(“ACDefl”)，通过该交叉点接线器接到接线器右侧的输出端口2(“InFast”)，而且从那里经由模拟反失真滤波器34到达高速(16bit，5MHz)模数转换器35。经过该模数转换器的转换，信号链中的每个部分都是以纯数字的方式计算的，因此信号幅度和相位值实质上是理想的。这样，除了某些被滤波除去的信号部分没有用于数字计算过程的数值外，偏转信号被检测到后就直接被数字化并被供给到FPGA 31，在这里它以数字的方式进行混频或乘法操作，方式类似于模拟两相锁定放大器(图3)。经过混频后，将得到的两个数字信号以数字方式进行低通滤波，并送至DSP，在这里同相分量和正交分量被转化成幅度和相位。幅度用于数字反馈计算。该计算的结果被送至数模转换器，经过放大后，模拟信号使控制悬臂z位置的压电元件沿合适的方向移动。除了与混频数字化的偏转信号相关的功能(等同于上面两相锁定放大器的描述部分已经描述过的)外，构成FPGA 31部分的直接数字合成器也用来产生信号移控制悬臂的振动。该信号被送至数模转换器、低通滤波并供给到交叉点接线器左侧的输入端口15(“DDS”)，通过该接线器该信号被接到接线器右侧的输出端口15(“Shake”)。从那里该信号被送至“Shake”压电元件38，其以物理方式实现振动。

虽然图4中没有示出，但所公开的控制器使用了自动配置，该自动配置使用了多点总线(multidrop bus)，使用的技术是本领域普通技术人员公知的。多点总线使得硬件器件的序列号、器件参数和特征能够被永久记录。当器件被插入或拔出互连板或控制器时，该总线允许这些器件能够被自动检测到并使合适的参数在软件内更新。多点总线也支持器件中集成的传感器。从而能够执行器件参数的温度降级(temperature derating)。温度传感器也可以用于故障检测。

现场可编程门阵列

FPGA是一种可编程的硬件，其由逻辑块阵列和逻辑块之间的相互连接组成。逻辑块和其间的相互连接都可以动态地配置或再配置以执行大量的低级或高级硬件功能。另外，它可以被动态地配置或再配置以同时(并行地)执行很多任务。因为这种内在的并行性，FPGA可以比常用的微处理器或DSP的计算快数百倍或数千倍。

将FPGA与DSP比较就可以看出FPGA的速度和能力。DSP运行如何良好的基准就是在一秒种内其能执行的乘法运算的数目。当前的DSP所具有的时钟频率是100MHz的数量级。如果在单个时钟周期内执行单个计算，这就意味着这样的DSP每秒种最多能执行大约一百万次的计算。因为乘法对于FPGA而言是一项容易执行的任务，通常的FPGA能够被配置成，例如，在同样的时钟周期内执行100次乘法。这种通常的FPGA因此至少比通常的DSP快100倍。它可以每秒种执行10,000,000,000次乘法，而通常的DSP只能执行100,000,000次。FPGA可以同时执行许多任务的能力使其成为一种有力而独特的工具而设置在AFM控制器的信号处理链中。对于一种完全数字的只使用DSP(或者甚至为此使用多个DSP)的AFM控制器而言，实施数字双相锁定、DDS、若干滤波链和其它所需的每个器件是极度困难的，而这里描述的包括FPGA的控制器已经说明了这点。

图5示出了FPGA 31所实施的功能，该FPGA构成所公开的控制器的一部分。这些包括数字双相锁定、直接数字合成器(DDS)27和各种数字滤波器41，其中该直接数字合成器产生具有用户可选择的频率的正弦波。在需要的时候，这些功能中的每个都可以被动态地再配置。

如图5所示以及上文所提到过的，FPGA实施完全数字的锁定。这种锁定类似与上面描述的模拟两相锁定放大器(图3)。然而，这里图3中不可靠的模拟乘法器24被数字混频器或乘法器40取代，从而不受模拟乘法器中存在的温度、频率和渗通效应的影响，将这些作为误差源清除以提供高保真输出信号。同时也注意到，如上述的那样，因为整个锁定是数字的而且是被软件描述的，因此它的任何方面都可以通过简单地对FPGA进行重新编程而升级或改变。这包括完全改变检测机制。例如，对于那些要求悬臂的幅度基于每个周期来计算的那些实验(例如快速AC或间歇接触模式)，FPGA内的植入的锁定程序可以被峰值检波器程序取代，完全不需要改变或加入控制器硬件。

所公开的控制器中所有信号链的所有方面都涉及FPGA。因此，在控制器寿命的正常进程中，对任何信号处理硬件所作的任何改动、解决故障、新的特征等都可以通过简单的程序改变就可以实现。

数字信号处理器如其它扫描探测显微镜的情形那样，构成部分所公开的控制器的DSP32位于控制器自身的内部而不是位于接口计算机的内部。这种设计简化了DSP和辅助器件例如FPGA、ADC、DAC和交叉点接线器之间的数据传递。因为DSP位于控制器内，所以可以在控制器和计算机之间使用标准的接口。在优选实施例中，使用了USB接口。这种设置也便于协调FPGA和DSP之间的任务。总之，DSP比FPGA更便于编程，而FPGA显著更快。

DSP 32的功能如图6所示。

交叉点接线器

如其它扫描探测显微镜的情形那样，构成部分所公开的控制器的交叉点接线器33和DSP一样位于控制器自身的内部而不是位于接口计算机的内部，或者位于另一个物理上分开的容器内。如DSP那样，这种设计减化了交叉点接线器和辅助器件例如FPGA、ADC、DAC和DSP之间的数据传递。

交叉点接线器33的功能如图7所示。交叉点接线器33作为电话交换机用于所公开的控制器内的大部分输入和输出信号。使用软件指令，交叉点接线器允许用户可以选择信号路径，使其到达合适的硬件部分。因为这种有力的信号路由灵活性，可以形成虚拟意义上无限的控制器布局配置，而不用额外的物理布线。另外，如前面讨论的那样，所有的信号可以方便地通过便于使用的面板上的BNC来获取。

在这个优选实施例中，交叉点接线器包括16个输入端口和16个输出端口。交叉点接线器左侧的输入端口包括几个专用于用户的(6In0，71n1和81n2)或者预留为将来使用的端口(11Pogoln0，12Pogoln1，13NotUsed1和14NotUsed2)。交叉点接线器右侧的输出端口也是同样的情形：(10Out0，11Out1，12Out2，13PogoOut和14Chip)。

所公开的控制器使得AFM或其它基于悬臂的仪器能够这样操作，即使用有发明者或他人开发的低级指令使控制器连接到高级软件控制语言，包括Igor Pro，MATLAB，LabView和Visual Basic。这使得该仪器可以影响大量已经存在的程序和控制，从而快速开发和形成新的程序，例如对试样的毫微光刻和毫微操作、对图像的自动弹簧校准和生成，这些仅仅是由计算机的存储器(例如，4096×4096象素)限制的。另外，高级软件控制便于用户测量、数据分析、和生成发表质量图形(publication quality figure)。比较于专有的AFM软件而言，这是一个显著的优点，如果使用专有的AFM软件，制造商就会被迫复制AFM软件中的所有的这些特征、或者是用户被迫去运行不只一个软件包来完成他或她所有的要求。

鼠标驱动的毫微光刻和操作

下面是操作和光刻实验的一个小的收集(collection)，这些实验是使用MFP-3D进行的。这个收集的每个部分都是使用MicroAngelo^TM接口来完成的。大多数操作程序是从初始的参考图像开始的。这之后是相同的图像，该图像具有一组画在其上的曲线。这些表示在光刻/操作阶段中悬臂尖端的按程序进行的运动。这之后是“响应”图像，表示光刻的效果。这个过程可以重复，在摹写情况下可以重复多次。除了简单的手画曲线和直线外，MicroAngelo^TM可以产生数学定义的曲线和阵列。某些这样的实例在段末给出。除了到处移动悬臂尖端，MicroAngelo也可以在光刻/操作的过程中进行测量。实例包括监视悬臂高度、幅度、偏转、相位、电流或任何其它数据通道包括外部信号。

图8A和图8B所示为操作示范，碳纳米管的两个图像都是以AC/排斥的模式进行的，幅度大约为100纳米。在两个图像中都可以看到原子步骤。灰度为15纳米，扫描尺寸为1.45微米。图8A所示为初始图像，伴随着用MicroAngelo^TM接口画出的亮线痕迹。图像完成后，悬臂尖端就沿着图8A中的亮痕迹移动。随着悬臂沿着亮轨迹，标准加载力设为90纳牛(nN)。悬臂尖端的标准速度是1微米/秒。图8B所示为碳纳米管的运动结果。图像左下侧的管部分与图像右上部分的管部分被分开了。

图9A所示为由外部软件产生的图像。MicroAngelo接口使得悬臂能够描出这个图案的边界。然后使用Olympus AC240的悬臂和大约200纳牛的加载点，就可以将该边界描到勒克森聚碳酸酯(Lexanpolycarbonate)的表面上。光刻后，以AC/排斥模式、100纳米的幅度来进行成像。得到的图像如图9B所示。明显地，AFM尖端改变了表面，复制除了图9A的原始图像的边界。

这种控制器的构造具有转动的编码器和可编程的按钮开关。从而使得能够用“旋钮(knob)”来操作控制参数，而不是用标准计算机键盘或鼠标输入。

本发明所描述的实施例只是优选的，并用来说明发明概念。本发明的范围不会被这些实施例限制。在不脱离本发明精神和范围的前提下，本领域普通技术人员可以想到许多其它的设置方案。