本發明公開了一種基于石英音叉探針的原子力顯微鏡的成像系統，該系統中的AFM控制器分別通過線纜與圖形顯示器、壓電陶瓷管掃描器、步進電機的驅動電路、反饋信號檢測電路和掃描控制信號處理電路連接，實現電信號的傳輸；樣品臺上安裝有探頭限位座；探頭限位座上方是圓形安裝臺，圓形安裝臺上安裝有壓電陶瓷管掃描器、位移調節組件、以及通過四根支撐柱支撐的電路安裝箱。本發明設計的系統能夠讓學生了解到AFM的基本工作原理和成像系統的操作步驟，并使用成像系統觀察樣品的微觀結構。在實驗過程中，學生通過對成像系統的力傳感元件—石英音叉探針的阻尼系數的測量，以及對雙穩態現象的觀察，能進一步加深對AFM力作用機制以及參數設置的理解。

1.一種基于石英音叉探針的原子力顯微鏡的成像系統，該系統包
括有AFM控制器(1)、圖形顯示器(2)、壓電陶瓷管掃描器(3)、樣品臺
(4)、石英音叉探針(5)；其特征在于：還包括有反饋信號檢測電路(61)、
掃描控制信號處理電路(62)和位移調節組件；
位移調節組件包括有步進電機(51)、步進電機驅動電路、電路安裝箱
(52)、傳動件(53)、支撐件(54)、探頭限位座(55)、第一定位件(57A)、
第二定位件(57B)、圓形安裝臺(58)；電路安裝箱(52)內安裝有步進
電機驅動電路、反饋信號檢測電路(61)、掃描控制信號處理電路(62)；
第一定位件(57A)包括有第一絲杠(57A1)、第一絲杠套(57A2)、
第一卡環(57A3)和第一點接觸球體(57A4)；第一絲杠套(57A2)套接
在第一絲杠(57A1)上，第一卡環(57A3)螺紋連接在第一絲杠套(57A2)
的外部，第一絲杠(57A1)的底部的沉頭孔內置入有第一點接觸球體
(57A4)；第一絲杠套(57A2)安裝在探頭限位座(55)的第一沉頭通孔
(55D)內，第一卡環(57A3)位于圓形安裝臺(58)的下方；
第二定位件(57B)包括有第二絲杠(57B1)、第二絲杠套(57B2)、
第二卡環(57B3)和第二點接觸球體(57B4)；第二絲杠套(57B2)套
接在第二絲杠(57B1)上，第二卡環57B3螺紋連接在第二絲杠套(57B2)
的外部，第二絲杠(57B1)的底部的沉頭孔內置入有第二點接觸球體
(57B4)；第二絲杠套(57B2)安裝在探頭限位座(55)的第二沉頭通孔
(55D)內，第二卡環(57B3)位于圓形安裝臺(58)的下方；
圓形安裝臺(58)上設有第四沉頭通孔(58A)、第五沉頭通孔(58B)、
觀察窗(58C)、第一定位腔(58D)、第二定位腔(58F)、螺紋孔(58H)；
第一定位腔(58D)的中心設有第一通孔(58E)；第二定位腔(58F)的
中心設有第二通孔(58G)；觀察窗(58C)上安裝有玻璃；第一定位腔(58D)
內安裝有傳動件(53)中的外套筒(53A)的下端，第一定位腔(58D)的
第一通孔(58E)內安裝有傳動件(53)中的第三絲杠套(53B)；第二定
位腔(58F)上安裝有壓電陶瓷管掃描器(3)，且壓電陶瓷管掃描器(3)
的輸出端穿過第二通孔(58G)后與上端部陶瓷體(3A)連接；第四沉頭
通孔(58A)內安裝有第一定位件(57A)中的第一絲杠套(57A2)，第五
沉頭通孔(58B)內安裝有第二定位件(57B)中的第二絲杠套(57B2)；
4個螺紋孔(58H)上連接有支撐件(54)的一端；傳動件(53)用于驅
動圓形安裝臺(58)在Z軸方向的調節；
傳動件(53)包括有外套筒(53A)、第三絲杠套(53B)、第三卡環(53C)、
第三點接觸球體(53D)、第三絲杠(53E)、內套筒(53F)、銷釘(53G)；
絲杠(53E)上設有絲杠段(53E1)和接頭(53E2)，絲杠(53E)
的底部設有沉頭圓孔，該沉頭圓孔用于放置點接觸球體(53D)，絲杠段
(53E1)用于絲杠套(53B)在其上運動，接頭(53E2)上設有通孔(53E3)，
該通孔(53E3)用于銷釘(53G)穿過，穿過通孔(53E3)后的銷釘(53G)
的一端置于內套筒(53F)的第一開槽(53F1)中，穿過通孔(53E3)后
的銷釘(53G)的另一端置于內套筒(53F)的第二開槽(53F2)中；
內套筒(53F)的上端設有沉頭孔和通孔，該沉頭孔用于放置步進電機
(51)的輸出軸，通孔用于緊頂釘(53H)穿過，緊頂釘(53H)的一端
頂緊在步進電機(51)的輸出軸上，通過緊頂釘(53H)實現內套筒(53F)
與步進電機(51)的輸出軸的鎖緊；內套筒(53F)的筒體上設有第一開槽
(53F1)和第二開槽(53F2)，第一開槽(53F1)用于放置銷釘(53G)
的一端，第二開槽(53F2)用于放置銷釘(53G)的另一端；
探針限位座(55)上設有第一盲孔(55A)、第二盲孔(55B)、第三盲
孔(55C)、第一沉頭通孔(55D)、第二沉頭通孔(55E)、第三沉頭通孔
(55F)、開口限位孔(55G)；第一盲孔(55A)用于放置第一定位件(57A)，
第二盲孔(55B)用于放置第二定位件(57B)，第三盲孔(55C)用于放
置傳動件(53)中的第三點接觸球體(53D)；開口限位孔(55G)處用于
置入石英音叉探針(5)，通過開口限位孔(55G)來限制壓電陶瓷管掃描
器(3)帶動石英音叉探針(5)的運動范圍；分別在第一沉頭通孔(55D)、
第二沉頭通孔(55E)、第三沉頭通孔(55F)是放置螺釘實現將探針限位
座(55)與樣品臺(4)的安裝。
2.根據權利要求1所述的基于石英音叉探針的原子力顯微鏡的成
像系統，其特征在于：通過手動調節第一定位件(57A)、第二定位件(57B)
來抬起或者放下圓形安裝臺(58)，實現石英音叉探針(5)距離樣品(4A)
在Z軸方向上位移的粗調；通過步進電機(51)與傳動件(53)的配合來
抬起或者放下圓形安裝臺(58)，實現石英音叉探針(5)距離樣品(4A)
在Z軸方向上位移的精調。
3.根據權利要求1所述的基于石英音叉探針的原子力顯微鏡的成
像系統，其特征在于反饋信號檢測電路(61)的電路原理結構為：從石英
音叉探針(5)輸出的形貌信息敏感電流信號M₅進入U11芯片的2腳，
形貌信息敏感電流信號M₅經電阻R12與6腳連接，形貌信息敏感電流
信號M₅經電容C32與6腳連接，U11芯片的4腳接-5V電源，U11芯
片的7腳接+5V電源，U11芯片的6腳輸出電壓信號VM₅；U11芯片
的6腳經電阻R13與U12芯片的2腳連接；U11芯片為OPA27運算
放大器芯片；U12芯片為OPA27運算放大器芯片；
電壓信號VM₅經電阻R13、電容C33與6腳連接，電壓信號VM₅經
電阻R13、電阻R15與6腳連接，U12芯片的3腳經電阻R14接地，
U12芯片的4腳接-5V電源，U12芯片的7腳接+5V電源，U12芯片
的6腳輸出放大電壓信號AM₅；U12芯片的6腳與U10芯片的15腳
連接；U10芯片為AD637均方根直流轉換芯片；
U10芯片的1腳經電容C20接地，U10芯片的1腳經可變電阻R16
與11腳連接，3腳、4腳接地，6腳與11腳連接，10腳經電容C17
與11腳連接，12腳接-5V電源，13腳接+5V電源，15腳與U12芯片
的6腳連接，16腳與AFM控制器1連接。
4.根據權利要求1所述的基于石英音叉探針的原子力顯微鏡的成
像系統，其特征在于掃描控制信號處理電路(62)的電路原理結構為：包
括有X軸部分控制電路、Y軸部分控制電路和Z軸部分控制電路；
X軸部分控制電路AFM控制器輸出的X軸信號X_IN經電阻R8連接
到OP470四通道運算放大器芯片的U1A芯片的3腳，U1A芯片的3腳
經電容C3接地，2腳經電阻R5接地，2腳經電阻R1與1腳連接，4腳
接+15V電源，4腳經電容C1接地，11腳接-15V電源，11腳經電容C6
接地，1腳經電阻R6與OP470四通道運算放大器芯片的U1D芯片的13
腳連接，13腳經電阻R4與14腳連接，12腳經電阻R9接地，14腳經電
阻R7與U2芯片的1腳連接，1腳經電阻R2與5腳連接，2腳經電阻R11
接地，3腳接+150V電源，3腳經電容C2接地，4腳接-150V電源，4腳
經電容C7接地，6腳經電容C4與7腳連接，5腳經電阻R10后連接在壓
電陶瓷管掃描器上；U1A芯片的1腳腳經電阻R14與U3芯片的1腳連接，
1腳經電阻R12與5腳連接，2腳經電阻R16接地，3腳接+150V電源，
3腳經電容C8接地，4腳接-150V電源，4腳經電容C11接地，6腳經電
容C9與7腳連接，5腳經電阻R15后連接在壓電陶瓷管掃描器上；U2芯
片為PA240高壓運算放大器芯片；U3芯片為PA240高壓運算放大器芯片；
Y軸部分控制電路AFM控制器輸出的Y軸信號Y_IN經電阻R24連接
到OP470四通道運算放大器芯片的U1B芯片的5腳，U1B芯片的5腳
經電容C13接地，6腳經電阻R21接地，6腳經電阻R17與7腳連接，7
腳經電阻R22與OP470四通道運算放大器芯片的U1C芯片的9腳連接，
9腳經電阻R20與8腳連接，10腳經電阻R25接地，8腳經電阻R23與
U4芯片的1腳連接，1腳經電阻R18與5腳連接，2腳經電阻R27接地，
3腳接+150V電源，3腳經電容C12接地，4腳接-150V電源，4腳經電
容C16接地，6腳經電容C14與7腳連接，5腳經電阻R26后連接在壓
電陶瓷管掃描器上；U1B芯片的7腳經電阻R30與U5芯片的1腳連接，
1腳經電阻R28與5腳連接，2腳經電阻R32接地，3腳接+150V電源，
3腳經電容C17接地，4腳接-150V電源，4腳經電容C20接地，6腳經
電容C18與7腳連接，5腳經電阻R31后連接在壓電陶瓷管掃描器上；U4
芯片為PA240高壓運算放大器芯片；
Z軸部分控制電路Z軸信號Z_IN經電阻R38連接到U7芯片的3腳，
2腳經電阻R36接地，2腳經電阻R33與6腳連接，7腳接+15V電源，7
腳經電容C21接地，4腳接-15V電源，4腳經電容C25接地，6腳經電阻
R37與U6芯片的1腳連接，1腳經電阻R34與5腳連接，2腳經電阻R40
接地，3腳接+150V電源，3腳經電容C22接地，4腳接-150V電源，4
腳經電容C26接地，6腳經電容C23與7腳連接，5腳經電阻R39后連
接在壓電陶瓷管掃描器上；U7芯片為OP37運算放大器芯片；U6芯片為
PA240高壓運算放大器芯片。
5.根據權利要求1所述的基于石英音叉探針的原子力顯微鏡的成
像系統，其特征在于步進電機驅動電路的電路原理結構為：步進電機導線
連接在電機驅動芯片U14的16、21、9、4腳上，電機驅動芯片U14的1
腳經可變電阻R21后接+5V電源，1腳經可變電阻R21、電阻R22接地，
10腳、11腳、3腳與AFM控制器1連接，22腳接+5V電源，12腳與跳
線接頭P2的2腳連接，12腳經電阻R23接+5V電源，13腳與跳線接頭
P2的4腳連接，13腳經電阻R24接+5V電源，跳線接頭P2的1腳和3
腳接地，電機驅動芯片U14的15腳接數字地，24腳接+5V電源，23腳
經電阻R17接地，23腳經電容C2接地，2腳經電阻R18接地，2腳經電
容C21接地，6腳、7腳、18腳接數字地，19腳接地，8腳經電阻R20
接數字地，17腳經電阻R19接數字地，5腳接+15V電源，5腳經電容C28
接地，5腳經電容C29接地，20腳接+15V電源，20腳經電容C28接地，
20腳經電容C29接地，14腳接+5V電源，14腳經電容C23接地，14腳
經電容C22接地；U14芯片為A3967步進電機驅動芯片。
6.根據權利要求1所述的基于石英音叉探針的原子力顯微鏡的成
像系統，其特征在于：采用石英音叉探針作為力傳感器用于探針激勵和形
變檢測，檢測信號經過反饋信號檢測電路放大和解調后傳遞給反饋控制
器，反饋控制器通過實時地調整壓電陶瓷管來調整誤差信號盡可能最小。