深空环境频率调制原子力显微镜测量技术研究

The application of atomic force microscope（AFM）in deep space exploration will be of great significance to understand the microstructure and the properties of the space substances. The imaging quality of frequency-modulation atomic force microscopy (FM-AFM) will not be influenced by the value of Q. So it works better than Amplitude modulation atomic force microscope in vacuum environment. The existing FM-AFM in the market have many defects, such as lacking of intelligence operation, over-sized equipment volume, high energy consumption and high voltage driving, etc, that it can not be directly used for the measurement in deep space environment. Based on our previous research，we focus on the research of intelligent, miniaturization and low power frequency modulated AFM in this project. It includes: the development of auto-zoom technology and parameters adaptive technology to make the instrument operate autonomously in unattended environment, research of self-excitation module and digital frequency demodulation circuit. The circuit will be miniaturized and lowered power consumption under the premise of guaranteeing the demodulation accuracy .The volume and weight of the detector will be reduced with improved mechanical structure and material. Meanwhile, the quartz tuning fork is used as force sensors in FM-AFM. The introduction of a mechanical model of the quartz tuning fork can be used to optimize the design of the feedback control of atomic force microscope and to establish the foundation for quantitative interpretation of the experimental results.

将原子力显微镜应用于深空探测对于人类真实、准确地了解太空物质的微观形貌及性质具有重要意义。频率调制原子力显微镜（FM-AFM）工作带宽不受品质因数Q值限制，可以使用高Q值微悬臂探针，相比幅度调制原子力显微镜更适用于真空环境。现有的商品化FM-AFM不能智能操控、体积大、功耗高、需高压驱动，不能直接用于深空探测。本项目将在实验室已有基础上对FM-AFM的智能化、小型化和低功耗进行研究，包括：自主选区技术和参数自适应技术的研究，使仪器在无人值守的情况下能够自主操作；自激励模块和数字频率解调电路的研究，在保证解调精度的条件下达到电路的小型化和低功耗；探头的机械结构和材料的研究，减小其体积和重量。同时，本项目将双臂自由振动的石英音叉作为FM-AFM的力传感器，建立其双臂自由振动的机械模型，研究针尖样品相互作用力对于石英音叉振动频率的影响机制，为FM-AFM反馈控制的优化设计以及定量解释奠定理论基础

将原子力显微镜（AFM）应用于深空环境探测对于人类真实、准确地了解太空物质的微观形貌及性质具有重要意义。频率调制原子力显微镜（FM-AFM）工作带宽不受品质因数Q的限制，避免了真空环境下幅度调制AFM振幅难以快速稳定的问题，现有的商业AFM智能化水平不高、体积大、功耗高、高压驱动等特点使其不适用于深空原位探测。.搭建石英音叉机械模型，采用Simulink及ANSYS对影响石英音叉品质因数、共振频率等特性的因素进行研究，与常用的单臂石英音叉探针相比，在音叉双臂上分别粘接等质量的钨丝探针能有效的提高其品质因数及共振频率；设计石英音叉钨丝探针粘接装置，改良了探针的制作工艺，提高探针制作成功率，将双臂振动的石英音叉探针应用于AFM的力检测提高测量精度。根据AFM的特点，设计基于迭代学习控制的原子力显微镜PID控制器参数自整定算法，实现基于样品的控制参数自整定；设计基于成像误差的AFM实时扫描速度调整算法，实现仪器根据样品形貌自动调整成像速度的功能；基于离散余弦变换设计二分区域游走算法，实现仪器自主选区，使得AFM能自主选择出包含最大信息量的区域并进行成像，通过以上技术的实施，有效的提高了仪器的智能化水平。设计小型化卧式AFM探头，减小AFM体积的同时提高其抵抗外界噪声的能力，避免重力对成像带来影响；采用电磁驱动的音圈电机作为低压扫描驱动器，提出的基于费米-狄拉克分布的修正Prandtl-Ishlinskii模型能有效的描述其迟滞现象；基于上述研究，采用音圈电机作为驱动器，设计低压驱动大范围柔性扫描器，通过以上手段实现仪器小型化、低压驱动及大范围扫描。.本项目在深空环境频率调制原子力显微镜智能化、小型化、低压驱动及大范围扫描等领域均取得了相应的研究成果，发表学术论文16篇，其中SCI论文6篇，参加国际/国内学术会议/学术研讨总计约30人次，申请/授权国家发明专利3项，形成具有核心知识产权的深空环境频率调制原子力显微镜系统。