扫描电子显微镜（共10篇）
扫描电子显微镜 篇1
随着教育行业分类的细化, 各类考试的应运而生, 大量的考试充斥着整个教育行业。现如今的考试都流行“电子阅卷”, 其优势在于具有较高的保密性和快速性, 可以解决大批量考生的问卷批阅工作。众所周知, 电子阅卷是通过图像识别算法负责对采集到的试卷图像进行评阅, 这就要求扫描仪的扫描速度一定要快, 精度一定要高, 图像还原一定要准确, 爱普生新上市不久的DS系列高速扫描仪凭借其高效、高兼容、方便、节能等优势特征, 得到了教育行业用户的广泛青睐。
双CCD扫描让“电子阅卷”更高效
某省教育厅在使用电子阅卷系统进行批阅试卷时经常会出现图像虚化、模糊的情况, 导致试卷批阅不准确, 经常需要人工重复批阅。其实造成这种现象的原因是因为传统的扫描仪所采用的光电元件为CIS, 不但扫描景深极小, 而且识别能力弱, 当扫描有高度的物件或偏厚的书籍时, 成像就会出现虚化、模糊的情况。而采用爱普生DS系列高速扫描仪的电子阅卷系统均采用CCD光电元件, 相比采用CIS光电元件的扫描仪, 经它扫描的图像成像质量较高, 具有一定的景深, 不仅能扫描平面物体, 即使是凹凸不平的物体, 细节也能完好的呈现。
一般的扫描仪多采用的是单CCD扫描头, 在进行双面扫描时, 速度还有一定的局限。而爱普生DS系列高速扫描仪采用的是双CCD扫描, 相比之下在扫描速度和质量上均有更突出的表现。例如:Epson DS-70000, ADF扫描最快能达到每分钟70页/140面的高速扫描, 还可以一次性扫描薄厚、大小不同的各类文档, 如此高的兼容性是竞品中少有的, 双面高速扫描节省了阅卷时间, 大大提升了办公效率, 超清晰的扫描图像更是提升了电子阅卷的准确性。
自动管理让“电子阅卷”更方便
对于教育行业而言, 除了高品质、高效率的需求外, 信息管理也非常重要。由于教育厅每日的扫描量巨大, 加上试卷扫描后需要人员人工进行管理, 所以经常会出现信息遗漏的现象, 需要花费大量的时间在整个试卷库中寻找遗漏的信息, 费时费力, 如何才能阅卷扫描的同时, 让每个考生都拥有一个属于自己的文档, 实现快速编辑、管理这些试卷呢?爱普生DS系列超高速扫描仪系列产品在设计之初就已充分考虑到了用户的需求。
爱普生DS系列高速扫描仪内置Document capture pro软件, 该软件会对电子扫描件自动进行编辑管理。当扫描件倒置或倾斜时, 可以自动纠偏和旋转, 也可以将扫描件拆分成多个文件;当大批量扫描文件时, 可以通过识别条码对文件进行自动分类, 并且可以一次性扫描出两个具有不同分辨率、不同存储格式的文件, 对后期整理、查找信息提供了便利的条件, 大大提高了工作效率。不仅如此, 重张检测功能可有效减少试卷遗漏, 有助于提升试卷的完整性, 不但方便而且放心。
节能按键设计更节省
由于教育机构每天的扫描量很大, 尤其在考试集中的时期, 大量的扫描必定带来大量的能耗。爱普生一向崇尚节能和环保, 爱普生DS系列高速扫描仪在设计上采用了先进的Readyscan LED光源, 传统的冷阴极荧光灯被一排LED灯所替代, 采用开机即扫的LED技术不需要汞作为光源, 不需要预热时间, 热量散失少、低能耗, 更环保!不仅如此“节能按键”的设计可在工作完成后按下, 让扫描仪进入节能状态, 相比不同的待机状态节能8倍的能耗, 而且方便的是想要使用的时候可以快速唤醒, 比常规功耗节省8-11W电量。即使是长时间的使用也不会造成不必要的能源浪费, 从而节省成本。
包括DS-6500/7500/50000/60000/70000在内的爱普生DS系列高速文档扫描仪, 以突出的硬件优势, 充分适应教育行业对“电子阅卷”高效、高兼容的专业扫描需求。自动化的文档扫描和管理解决方案, 减少了教育行业的人力支出, 提升了行业用户体验, 让教育行业办公更加安全高效。
摘要：随着教育行业分类的细化, 各类考试的应运而生, 大量的考试充斥着整个教育行业。现如今的考试都流行“电子阅卷”, 其优势在于具有较高的保密性和快速性, 可以解决大批量考生的问卷批阅工作。众所周知, 电子阅卷是通过图像识别算法负责对采集到的试卷图像进行评阅, 这就要求扫描仪的扫描速度一定要快, 精度一定要高, 图像还原一定要准确, 爱普生新上市不久的DS系列高速扫描仪凭借其高效、高兼容、方便、节能等优势特征, 得到了教育行业用户的广泛青睐。
扫描电子显微镜 篇2
古代盐盆找钾中扫描电子显微镜技术应用
通过用电子显微镜对新疆库车盆地第三系含钾岩屑进行形貌及能谱元素成分分析研究,发现该盆地2400～3600m间累计含钾岩层厚度约100m.分上下两大舍钾类型层,下层主要为硫酸盐钾芒硝类型,上层为钾石盐(光卤石)类型.
作 者：宣之强 刘成林 王弭力 Xuan Zhiqiang Liu Chenglin Wang Mili 作者单位：宣之强,Xuan Zhiqiang(中化地质矿山总局地质研究院,河北涿州,072754)刘成林,王弭力,Liu Chenglin,Wang Mili(中国地质科学院矿产资源所,北京,100037)
刊 名：化工矿产地质 英文刊名：GEOLOGY OF CHEMICAL MINERALS 年，卷(期)： 31(3) 分类号：P619.211 P585.11 关键词：含钾岩屑 扫描电镜 形貌特征 成分 新疆库车扫描电子显微镜 篇3
关键词：
显微镜； 扫描； 采集； 同步； 随机噪声
中图分类号： O 436文献标识码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2013.05.014
引言
激光共焦扫描显微镜（LCSM）广泛应用在生物医学和材料科学等领域[1]，因其具有三维成像能力和良好的横向分辨率和纵向分辨率[24]受到了广泛的关注。传统的扫描共焦显微镜，一般采用光束扫描式[5]，利用两个相互垂直的平面扫描振镜实现光学切片二维扫描[6]；然而，对于超大视场的成像，光束扫描方式由于在扫描过程中使光束发生偏转，会在视场边缘产生球差，引起视场边缘成像与中心成像分辨率的不一致，从而容易导致光斑的空间轮廓形状凹凸不平[7]。近年来，提出了一种采用数字微镜器件的并行共焦检测系统[810]提高成像速度的方法，但是在微透镜阵列焦平面上得到的焦点是非均匀分布的，产生了一些畸变，与理想的焦点发生了位移。因此，采用工作台运动实现扫描，即激发光的会聚焦点静止而载物台进行二维或三维运动实现连续扫描。这种工作台运动扫描方式，优点是在对超大视场的逐点扫描成像时，可以在整个视场区域实现一致的高分辨率成像，缺点则是成像速度慢。
为了提高成像速度，本文对工作台运动扫描方式LCSM中传统的多帧取平均的方法进行了改进，设计并实现了一种基于工作台连续运动的LCSM系统，并且提出了单帧成像滤除随机噪声的方法。
1反射式LCSM的工作原理
图1是设计的反射式LCSM系统原理图，该系统主要由几大模块组成，包括：光学成像模块、光电转换及放大模块、机械扫描模块、数据采集及数据处理模块。
其中光学成像模块采用无限远光学系统，由于其系统中存在一段平行光路，在光学结构设计和像差矫正上具有一定的优势。入射光波为405 nm的激光，该波长不仅不会杀伤细胞，而且满足高分辨率的要求。采用共轭技术成像，使光源、被测样品及探测器处于彼此对应的共轭位置上。入射激光经过分光镜反射后聚焦到样品的某点处，由该点激发出来的荧光透过显微物镜，光束经过分光镜与高通滤波器后，仅有荧光波段通过，荧光通过成像透镜聚焦于针孔处，非焦平面上的杂散光被滤掉，通过针孔的荧光被光电倍增管接收，工作台通过作三维扫描便可以完成对光学断层成像。
2影响LCSM分辨率的因素
2.1针孔大小及取样间隔的选择
针孔的大小与爱里斑的直径相关，许多人对LCSM的三维光学传递函数与探测器前方针孔直径之间的关系进行了研究[1112]。结果表明[11]，该针孔直径不必非常小。当针孔直径恰好等于一个爱里斑所成像的大小时，探测器接收到的光能量较高，既可以提高信噪比，又不会对分辨率造成特别大的影响。爱里斑经过无限远光学系统放大后，其像的大小为：
其中，β为系统的放大倍率，λ为入射光波长，NA为数值孔径。已知β=40倍，λ=405 nm，NA=0.95，根据式（1）计算得到爱里斑像的大小约为20 μm。因此，该系统选用20 μm针孔直径。取样间隔遵循的原理是奈奎斯特采样定理，将爱里斑作为周期信号，能够区分两个爱里斑的取样间隔为0.25个爱里斑直径，将取样间隔定位在100～125 nm之间，即可满足还原高分辨率图像的要求。
2.2数据分配消除随机噪声
随机噪声具有很宽的频谱，若采用低通滤波，必然会造成图像的高频成分损失。传统的做法是多帧平均，根据随机噪声互不相关的特点，且均值为零，可以有效的压缩噪声。具体的方法就是在被测实验样本荧光极弱的情况下可通过多帧平均的方法来提高信噪比。尽管纳米位移台的重复精度很高（小于5 nm），但是多帧平均会使扫描时间成倍增加，为了在一次扫描时间内完成滤除随机噪声的任务，提出了利用数据分配滤除随机噪声的方法，即在每一点附近采集多次，再将这些值累加或加权取平均得到该点的能量值。具体原理如下所述。
在任意时刻采集的数据为：
累加后的信噪比提高了K倍。
采集卡的型号是NI6120（12 bit），采样率单位为S/s，表示每秒钟采集的次数。最高采样率可以达到10 000 000 S/s。当采样率足够高时，可以近似认为在一点处取得的平均值，就每一行而言，具体采集方法如图2所示。
若采集范围为50 μm，需要500个像素，工作台扫描速度为100 μm/s，当采样率设置为1 000 000 S/s时，每行可以得到500 000个点，取样间隔为100 nm，每个间隔内有1 000个采集点可供分配，若将1 000个采集点都取平均，相当于低通滤波器掩膜尺寸太大，导致细节被滤掉，图像变得很平滑。为了避免这种情况，只取其中的前十分之一的数据，即100个采集点做加权平均，这100个采集点分布在10 nm范围内，对分辨率不会造成影响。
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如图3所示，两幅图均取了50次平均，图3（a）的采样率为10 000 S/s；图3（b）的采样率为100 000 S/s可以看出随着采样率的提高，平滑效果减弱。事实上，当采样率可以设置为10 000 000 S/s时，取样平均的次数也可以增加，使均值趋于零。利用这种方法有效地滤掉了随机噪声，同时还保留了图像细节。
3同步系统设计
3.1同步采集方法研究
该系统选用PI公司的3轴压电陶瓷驱动纳米位移台，型号是P545，3个轴移动范围均为200 μm，由于具有长量程和型面不高的特点，非常容易整合进高分辨率的显微镜内，并且位移精度可以达到1 nm，完全满足高分辨成像的需要。
连续扫描是指工作台可以从初始位置连续移动到目标位置，同时采集卡不间断的采集数据，因此，工作台与采集卡实现同步尤为重要。工作台P545的单向重复性优于双向。因此，采用如图4所示的单向梳状扫描路径，并以100 μm/s的速度运动的，在这个速度下运动，工作台状态比较稳定。
采集卡需要工作在有限连续采集模式下，具体方法：给每一行分配一个指定大小的缓存区，当工作台运动到每一行的目标位置时，恰好使采集到的数据填满缓存区，读取后清空缓存区；工作台沿纵向只移动步距，不采集数据。每行采集均重复此过程，采集卡在该模式下工作，没有任何数据被覆盖掉。除此之外，为了实现工作台运动与数据采集同步，还需将工作台与采集卡参数匹配设置，表1列举了一些工作台与采集卡设置的参数，根据不同的需求，选择合适的扫描范围。其中，扫描范围、扫描速度与像素数目决定了成像时间，扫描范围与像素数目决定了取样间隔，继而影响了分辨率，表1给出的参数满足实现高分辨率成像的要求。根据实际情况对分辨率的不同要求，调整表中的参数，在相同扫描范围与像素数目下，采样率越高，赋值范围越小，去噪效果越好。
3.2系统软件设计
为数据同步采集模块的软件设计流程图。首先，设置工作台扫描速度与扫描范围；然后，设置采样率，使采样率、扫描速度和扫描范围完全匹配，即保证工作台运动到目标位置时，采集卡缓存区刚好被填满，其中，循环次数由像素数决定。
操作控制界面如图6所示，主要包括光源控制模块、采集参数设置、工作台控制器参数设置、实时显示模块。
4实验结果
本文所研究的显微镜实验装置如图7所示，鉴于稳定性的要求，加工了三维支架，保证了绝对水平和垂直。为了方便寻找细胞，将分光镜分离的另一束光成像在CCD上，并且在工作台下方安装了粗调X，Y两个方向的底座。
实验中所采用的样品是老鼠脑细胞，细胞的平均尺寸约为10 μm。将表1中的参数输入软件中，完成图像扫描，可获得如图8（b）所示的共焦扫描图像，并与蔡司宽场显微镜对该细胞拍摄的图像进行对比，如
5结论
本文研制的基于工作台连续运动的LCSM系统，完成了系统控制和数据采集的任务，利用有限连续采集模式，解决了机械控制与数据采集难以同步的问题，并在此基础上完成了软件系统的开发工作。与传统的多帧取平均扫描方式相比，大大地提高了成像速度。本文所述的实验结果是在纳米位移台单向扫描方式下获得的，若纳米位移台双向重复性好，能够实现双向扫描，还可以进一步提高成像速度。
参考文献：
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扫描电子显微镜 篇4
1 扫描电镜在仪器分析实验教学中的应用
扫描电子显微镜(SEM)是利用极狭窄的电子束来轰击物质表面,通过收集电子束激发出的各种电子信号来获取被测样品本身的各种物理和化学性质的信息,例如对二次电子和背散射电子的采集可以得到样品表面放大的形貌特征,对特征X射线的收集可以对物质的成分进行分析[8,9]。扫描电子显微镜具有分辨率高、景深大、放大倍数调节范围广等特点,近年来已经广泛应用于机械、材料、化学、环境、生物等众多领域,成为现代分析测试的一种常规手段,同时扫描电子显微镜也在仪器分析实验教学中也得到了越来越多的使用。
1.1 扫描电子显微镜在仪器分析课程中的使用现状
利用扫描电子显微镜作为仪器分析实验课程的改革试点,具有非常典型的意义。这是因为很多类似扫描电子显微镜这样较为贵重的大型精密仪器,如:核磁共振波谱仪、X射线衍射仪等,一般作为科研手段引进学校,都具有面向学科范围广、购置台数少等特点,进行实验教学时具有很大的局限性。一般该类仪器的分析实验课程都是面向研究生开放,对实验课的训练内容的针对性和实用性等都有更高的要求。同时该类仪器大多为科研服务,有利于把新鲜前沿的科研成果直接转化应用到教学中来,因此该类仪器的分析实验教学具有很大的革新空间,可以更多的锻炼学生的综合能力。
扫描电子显微镜作为实验教学手段,通常的教学形式有三种,分别是演示教学,虚拟教学和实践教学[10]。在分析实验课程中,扫描电镜数量少就会限制学生的动手操作的时间,不可能人手一台随意操作。在以往的仪器分析实验课程中,对扫描电子显微镜的教学更多的局限在演示教学的水平上,这样会偏重对理论知识的灌输,影响到学生动手能力的培养和对仪器感性的认识[11]。另外,作为一台大型常规仪器,扫描电镜面向的研究领域非常广泛,不同专业的学生对扫描电镜的应用领域有着不同的兴趣,单一的实验内容设计会造成学生对课程内容缺乏兴趣,教学质量很难保证。如何在有限的时间内怎样提高课程的教学效率和教学质量是扫描电镜在仪器分析实验教学中遇到的实际问题。
1.2 扫描电子显微镜在仪器分析课程中的改革实践
针对上述实际情况,我们在使用环境扫描电子显微镜开设仪器分析课程的时候一直坚持科研与教学相统一的思想,采取了以开放式教学模式为主的教学探索,对课程的教学模式进行了改革尝试。我们设计了一套整套课程流程,具体包括分组选题,查资料,实验设计,教师课上指导点评,改进操作,实验总结考核等环节。
首先,我们会根据学生的专业特点,以相似或者相同的专业为依据对学生进行课题分组,每组不超过5人,以小组为教学单位,这样就保证了在同一小组内学生的学习和研究兴趣基本相似。每个小组进行各自的课程的实验选题。在这一步中,我们会提供两种选题模式:备选课题和自选课题。备选课题是老师根据学校整体的专业情况设计的常规实验课题;自选课题是研究生们根据自己的研究方向所提出的并且通过跟本课程实验指导老师讨论认定可行的题目。每个实验小组可以根据自己小组的专业情况和实际能力任选一个。这样做的目的是促进科研与教学的统一,可以把最新的科研热点直接转化为教学内容,可以既保证了教学内容的新鲜性、前沿性和针对性,同时也由实验指导老师对其可操作性进行把握。
之后,实验小组的根据自己所选的课题进行查资料。具体要求是了解仪器原理、该仪器本在研究方向的应用情况和进展、样品的预处理过程等内容,再与指导老师进行讨论确定可行的实验方案。以上均是在课程的预习准备阶段利用课余时间完成,不占用课上时间。
在实验课上,我们会对每个小组的学生进行具体的仪器操作指导并对实验样品进行观测,可以实际接触到仪器的时间充分熟悉仪器的各项功能和具体操作。
1.3 课程考核
对于如何检验这种教学模式的教学效果,我们也做了精心的设计。在课程考核部分,我们要求学生以小组为单位,利用多媒体手段PPT做出实验报告,内容包括对仪器原理应用的介绍、本小组的选题简介、实验方法、实验结果、小组成员分工介绍以及实验总结。这样以小组为模式,可以加强学生的团队合作意识,提升学生的参与感。同时考察的内容贴合实验实际操作并要求学生介绍自己在团队中各自所承担的任务,避免了千篇一律的实验报告,考察学生实践动手、团队合作、总结归纳、语言表达等多项综合能力。
2 结 语
扫描电子显微镜 篇5
科技的进步促进了人们对数字信息的利用，这其中出现了令我们曾经以为不可能的应用，比如科技新秀二维码，横扫世界的智能手机，革命性创新的平板电脑等等，今天我们对科技改变生活的说法已经深信不疑了。那就看看我们生活中的一些麻烦。
有句话说出门必带的“伸手要钱”，身（伸）是身份证，手不是我们身体上的手，而是手机，（要）是钥匙。现实中，我们都有这样的体验，出门确实要“伸手要钱”。但是每一次出门都要带上手机，钱包，加上一大串钥匙，是不是有些麻烦呢？既然科技发展的足够快，那么我们是不是可以利用现代科技来减少随身携带的物品，又不会影响正常的工作娱乐呢？
答案是肯定的。比如我们可以把手和要合并在一起。出门只需“伸手钱”。
项目简介：
正如背景里提到的，我们要把手机和钥匙合二为一，出门“伸手钱”。主要是利用智能手机和科技宠儿二维码。让融合了科技和美感的二维码充当我们的“钥匙”。而这个“钥匙”存于手机或者随身携带的钱包或者贴在银行卡上，把我们从现实的锁中解脱出来。
具体来说就是，通过计算机产生一个二维码，这个二维码是可以更改的就像你换门锁一样，只是换个门锁可不是那么简单的事情。将这个二维码植入门中，这个门是可以放置存储，像RAM一样，并且具有扫描和认证处理能力。把对应二维码放入手机或者打印下来放在钱包里，或者贴在银行卡上。这样当你回家开门时候，按下扫描开关，并将手机的二维码照片放置在扫描范围内，等待扫描和认证，一旦认证通过，这个智能门就可以自动打开。全过程，不需要钥匙，你甚至都看不到门把手，只需拿出你日常使用率最高的手机扫一下即可。
而且，二维码的生成，可以根据适用场合的不同而改变，比如在一些私人别墅，保密性比较高的地方我们可以采用复杂度较高的算法生成二维码，在家用住宅可以使用简单的算法生成。即使简单的算法，也比我们目前任意一种锁难解。
扫描电子显微镜 篇6
1 激光共聚焦显微镜的组成及原理
激光共聚焦显微镜作为一种图像采集和分析的大型精密仪器, 它主要由激光光源 (氩离子激光器:457nm、477nm、488nm、514nm, 氦氖绿激光器:543nm, 氦氖红激光器:633nm, 半导体激光器:405nm) 、扫描装置 (检测针孔光栅、分光镜、发射荧光分色器等) 、显微镜、检测器 (PMT高灵敏度的光电倍增管, 电压越高, 则光信号转换成的电信号越强, 可将荧光图像的强度按照0-255分级显示) 、计算机控制系统 (包括数据采集、处理、转换, 应用软件) 、图像输出设备及光学装置 (如光学滤片、分光器、共聚焦针孔及相应的控制系统) 等部分组成。
传统的光学显微镜使用的是场光源, 标本上每一点的图像都会受到邻近点的衍射光或散射光的干扰;激光共聚焦显微镜利用激光束经照明针孔形成点光源对标本内焦平面上的每一点扫描, 标本上的被照射点发射的荧光在探测针孔处成像, 而来自该点以外的任何发射荧光均被探测针孔阻挡, 由探测针孔后的光电倍增管逐点接受, 在计算机监视器屏幕上形成荧光图像。所以照明针孔与探测针孔相对于物镜焦平面是共轭的, 也就是说照明针孔与探测针孔具有共同的焦平面。在载物台上加一个微量步进马达, 使载物台沿Z轴上下步进移动, 将样品新的一个层面移到焦平面上, 这个层面又成像在显示器上, 随着Z轴的不断移动, 就可得到样品不同层面连续的光学图像, 从这些连续的光切图像可得到样品的真实的三维结构。
2 基本功能
2.1 多荧光探针标记样品高清晰度、高分辨率图像的采集。
2.2 无损伤连续光学切片图像的采集—显微“CT”。
2.3 三维图像重建。
2.4 时间序列扫描:xyt、xyzt和xt扫描。通常指共聚显微镜系统沿着时间轴对活体细胞和活体组织内被标记物变化的动态跟踪。如测细胞内Ca2+、K+、Na+等离子浓度的变化。
2.5 感兴趣区域的扫描。
2.6 定位、定量测定。
2.7 图像处理功能。
3 使用与维护
3.1 样品的制备
样品制备是上机检测前的关键步骤。样品需经荧光探剂标记 (单标、双标、三标) 。
标本可以是固定的或活的组织, 也可以是固定的或活的贴壁培养, 细胞应培养在Confocal专用小培养皿或盖玻片上, 悬浮细胞, 甩片或滴片后, 用盖玻片封片。样品的最大厚度约1～2 mm, 使用的盖玻片厚度应小于0.17 mm, 载玻片厚度应在0.8～1.2 mm之间, 而且表面光洁, 厚度均匀, 没有明显的干扰荧光。固定样品常用封片剂进行封片, 常用PH8.5-9的PBS配制的甘油封片。
3.2 样品观察的一般步骤及参数的选择
(1) 根据荧光探针的激发波长和发射波长, 选择合适的激光器、激光功率, 分光镜滤片和发射滤片。
(2) 确定扫描方式:点、线、面、三维扫描。
(3) 确定扫描密度 (分辨率) :256×256、512×512、1024×1024、2048×2048, 分辨率越高, 扫描速度越慢, 图像信噪比越好, 但也越容易发生光漂白。
(4) 选取物镜的倍数及电子放大倍数:这个条件被确定后, 扫描范围即被确定, 物镜的光透射率与数值孔径 (NA) 的4次方成正比, 与物镜的放大倍数的平方成反比, 因此, 应尽量选择高数值孔径的物镜。
(5) 根据样品的制备质量选择合适的针孔大小, 调整激光管电压、光电倍增管功率、降噪等至最佳状态, 这些参数选择或设置有非常密切的关系, 选择时应综合考虑。
(6) 确定光切范围, 即扫描样品的厚度, 锁定起始位置和结束位置。
(7) 给出光切的层数及取图时累计平均次数。
(8) 获取图像并保存。
3.3 日常维护
激光扫描共聚焦显微镜是大型精密仪器, 其价格昂贵, 在使用过程中要特别注意做好保养和维护工作。
(1) 设立专门实验室, 实验室光线暗淡, 电源电压稳定。安装在防震台上, 室内要安装空调, 保持一定的温度, 最好保持在21℃±1℃。
(2) 注意防尘。为保持良好的工作状态, 延长使用寿命, 工作环境应保持清洁、干燥、远离辐射源。每次使用后, 要做好清洁工作, 包括目镜、物镜等容易污染的光学部件的清洁。
(3) 严格按照操作规则使用, 避免因使用不当造成损坏。注意开机关机的顺序及激光管的保护, 使用需预热约半小时。
(4) 注意保护仪器的光纤, 防止被挤压, 仪器常用的零配件由专门人员负责管理。
(5) 扫描后的图像及数据严禁用软盘拷贝, 以防病毒浸染激光共聚焦显微镜系统。
(6) 使用者需经培训后, 方可上机操作。
参考文献
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扫描电子显微镜 篇7
随着工业技术高速发展,无损检测在提高产品质量、降低生产成本、和延长产品使用寿命等方面起到越来越重要的作用。目前,在检测材料应用上主要有X射线成像[1]、红外热波成像[2]、超声波检测[3]、激光全息[4]、微波等无损检测技术。由于微波频带宽、方向性好、贯穿介电材料能力强,微波检测技术可以进行最有效的内部隐藏结构无损透视探测,使缺陷区域的大小和范围得以准确测定,同时克服了一般检测方法的不足,如超声波在复合材料中衰减大,难以穿透,较难检验其内部缺陷;X 射线法对平面型缺陷的射线能量变化小,底片对比度低的困难[5]。此外,微波不能穿透金属和导电性能较好的复合材料,还可用来检测金属结构、表面形貌等。特别地,近年来微波扫描近场显微技术[6]的发展,使得局域结构的微波成像探测成为可能。
由于微波隐失场激发和检测具有背景干扰小、信噪比高的优点,近年来国内外一些研究课题组分别研究实现了多种微波近场探头设计产生微波局域隐失场的方法,包括采用同轴线[7]、开槽波导[8]和微带线[9],以及本文所采用的电容加载同轴谐振腔结构[10]的微波近场扫描显微镜[11,12,13]。结合S参量测量技术,本文获得了多谐振频点S21幅值和相位的扫描测量数据,得到物体内部金属隐藏结构的清晰图像,实现了光学显微镜所不能实现的不透明物体内部探测问题,空间分辨率突破衍射极限,可达0.01λ的超分辨。为实现产品内部无损检测和质量检验,进一步探测介电材料表面光洁度、内部精细结构及不均匀性等提供了重要研究基础。
1 SEMM结构和工作原理
本文研究的SEMM系统核心探测部件,采用探针和电容加载同轴谐振腔设计结构,在显微镜整体系统[14]中起“局域光源”和“放大系统”的关键性作用。图1为SEMM核心探测部件及系统整体构造示意图。
如图2所示,电容加载同轴谐振腔除终端缝隙外,腔内驻波为TEM或准TEM模式,电磁场结构稳定,无色散,工作频带宽。SEMM一耦合环为输入装置,激励谐振腔的振荡模式,另一耦合环为输出装置,有外界样品微扰时感应腔内电磁场变化。谐振腔内导体底端锥形的设计,目的是为了提高探针尖隐失场电场强度。
探针的作用是随腔内电磁场变化针尖产生激励电场,激励样品表面产生包含样品精细结构信息的局域隐失场。隐失场的强度随着离物体距离的增大而迅速衰减。探针再将隐失场耦合到远场传播,通过探测谐振频点S21的变化,可重构探测样品的空间分布图像。SEMM空间分辨率与探针针尖的大小相比拟。
2 理论研究与仿真分析
2.1 SEMM谐振条件分析
如图3所示,电容加载同轴谐振腔可等效为一端短路的平行双导线与一电容C并联。
用电纳法求解谐振频率,谐振时端面AA′的总导纳为零,可得谐振条件[15]:
上式为一超越方程,用图解法求得谐振频率f01,f02,f03…可见,对于内导体长度l和电容C结构一定的电容加载同轴谐振腔,可以有无穷个振荡模式,即存在多个谐振频率f0,此性质称为多谐性。通过SEMM仿真分析,0～11 GHz S21的幅值和相位如图4所示。
从图4结果可以看出,0～11 GHz S21幅值和相位都出现多个较均匀整齐的谐振峰,满足电容加载同轴谐振腔多谐性的特点。从幅值图分析, S21峰型较尖锐,品质因数Q较大,在谐振频率附近谐振腔对外界微扰信号变化敏感。从相位图分析,S21在谐振峰处二者均发生±π弧度的相位跳变,说明在谐振峰处,相位信号对频率变化敏感。根据微扰理论和隐失场探测原理,理论上在谐振频点处幅值和相位信号都能呈现样品信息图像。
2.2 电磁场模式分析
实际上,SEMM成像可否除与工作频率有关外,还与工作时电磁场模式有关。仿真分析得到,0～11 GHz SEMM各谐振频点纵向截面均出现驻波谐振现象,且f01=1.44 GHz(基模),f02=4.28 GHz,f04=7.34 GHz和f07= 6.03 GHz处纵向截面出现TEM模式,但由于高次模式影响,在f03=6.03 GHz,f05=8.72 GHz,f06=9.67 GHz处横向截面现非TEM模式。以图5谐振频率f04时腔体电磁场模式进行分析说明。
从图5仿真结果分析得到,在SEMM谐振频率f04时,谐振腔纵向截面出现整驻波波长谐振现象,具有明显的电磁场分界零点,且探针和缝隙出现在磁场强度最大处。横向截面电磁场为TEM模式。
2.3 探针及隐失场作用
以SEMM工作在f04,塑料样品(5 mm×5 mm×2 mm,介电常数Epsilon≈3)为例,分析SEMM探针及隐失场的作用。图6为探针、缝隙及样品表面附近电磁场分布。
由图6可以看出,探针和谐振腔底端缝隙壁之间电磁场模式为TEM模式,探针将谐振腔内部分能量沿探针方向馈出,在探针针尖正下方激励起强烈的隐失场。
图7为样品表面电磁场分布。从图可看出,样品表面探针针尖正下方电场强度最大,可达105 V/m量级,电磁场范围可与探针大小可比拟,即扫描样品空间分辨率。样品表面磁场强度较小,针尖正下方磁场强度相对于周围磁场强度更小些。
3 SEMM测试与分析
3.1 SEMM性能测试
在仿真设计的基础上加工了SEMM测试样机,该样机由电容加载同轴谐振腔、探针、耦合环和SMA转接头组成。为提高针尖隐失场强度,电容加载型谐振腔内导体底端采用锥形设计,探针针尖直径约50 μm。装配后的SEMM样机如图8所示。
实验对SEMM的各方面性能进行测试分析,包括S21仿真与测试结果比较,及微扰前后S21幅值和相位变化等。
从图9和表1可以看出,1～11 GHz范围SEMM谐振频率基本一致,相对误差小于0.07 GHz,S21幅值仿真与测试结果大致吻合,误差可能来源于仿真和测试环境不同,及制作精度、SMA转接头或材料特性误差等影响。
从图10中1～11 GHz S21微扰前后幅值图分析,在谐振频率f01,f02,f04和f07附近S21幅值微扰前后变化明显,差值可达30 dB 左右,可实现成像,而在谐振频率f03,f05和f06附近幅值几乎没变化,不可成像。从S21微扰前后相位差值图分析,除出现个别噪声信号以外,在谐振频率f01,f02,f04和f07附近发生连续的±π弧度的相位跳变,在谐振频率f03,f05和f06附近S21相位微扰前后差值几乎为零,不可成像。
结合前面仿真分析得到,SEMM成像可否除与工作频率有关外,还与工作时电磁场模式有关。当电容加载同轴谐振腔在谐振频点,腔内驻波为TEM模式时,可达到成像目的。
3.2 无损透视探测
实际测试时,SEMM加工样机对封装好的IC卡进行内部无损透视探测,内外结构如图11所示。已知IC卡塑料表皮厚度0.3 mm,内部有一环绕凹槽宽度1.42 mm铜线圈和4 mm×2.5 mm的小芯片,凹槽厚度约0.2～0.5 mm。IC卡内部探测成像结果图11所示。
从图11不同谐振频率IC卡内部探测成像结果分析,谐振频率f01和f04处可呈样品信息图像,f02处信噪比较小,呈现条纹图像,不能显示样品信息。从IC探测成像结果来看,SEMM对内部的铜线圈、小芯片和凹槽均呈现清晰图像,空间分辨率可达0.01λ,实现了不透明物体内部隐藏结构的无损透视探测,这是光学显微镜所观测不到的。
实际探测结果,谐振频率f02和f07处也可成像,f05和f06处不成像,进一步验证SEMM谐振频点成像可否与电磁场是否TEM模式有关,多谐振频点S21幅值和相位信号都可以成像。
图12为隐失场强度随样品表面深度变化曲线。离表面越深,即离探针尖越远,样品内部隐失场强度越小,且变化越来越平缓,说明隐失场可探测到样品内部信息,但探测深度受隐失场穿透深度d限制。仿真得到SEMM穿透实验所用塑料样品的深度约为0.63 mm。
4 结 语
本文在分析新型微波近场扫描显微镜同轴谐振腔工作模式的基础上,仿真研究分析并加工测试了SEMM样机。测试采用S参量测量谐振腔多谐振频点S21幅值和相位的工作方式,得到介质层下金属隐藏结构的扫描微波图像,实现了0.01λ超分辨率的清晰图像。虽微波隐失场透视探测受到穿透深度的限制,但已探测到光学显微镜所观测不到的不透明物体内部隐藏结构。该微波近场扫描显微镜为应用于物体内部无损探测和检验提供了重要方法,同时,为进一步检测介电材料内部结构,及金属和导电性能好的复合材料表面形貌等提供了重要的研究基础。
扫描电子显微镜 篇8
随着微细加工技术、MEMS技术的发展,MEMS器件和微型机械零件的应用也越来越广泛,同时这些器件的几何尺寸越来越小、加工精度越来越高,因此,对测量也提出了更高的要求。目前,以扫描隧道显微镜(STM)、各种扫描力显微镜(SFM)[1]为代表的扫描探针显微镜(SPM)自身都存在一定的局限性。由于STM仪器利用了量子隧道效应产生隧道电流的原理,因而对于绝缘体根本无法实现测量。如果在样品表面覆盖导电层,则会因为导电层涂覆的均匀性等问题导致测量结果的失真。常规原子力显微镜(AFM)虽然适合于各种材料,且具有亚纳米级的垂直分辨力和较小的测量力[2],但AFM受到所采用探针有效长度和锥角的限制。AFM探针有效长度一般仅有数微米,不适合具有数十、甚至数百微米高度的微观台阶以及大深宽比的微沟槽的测量,且测头中一般采用光学方法检测悬臂变形,有可能产生干涉、漏光现象[3],从而给AFM的表面测量带来误差。适合于测量这些器件的纳米三坐标测量机(Nano-CMM)目前还处于研制阶段,测量精度在亚微米量级。目前,学者们利用微音叉、石英音叉、PVDF等构建了新型扫描探针显微镜测头[4],但这些测头需要进一步改进并构建有效的测量系统。
聚偏氟乙烯(Polyvinilidene Fluoride,PVDF)压电薄膜近年来出现了在微夹持和微操作方面的应用[5]。笔者采用PVDF压电薄膜和PZT,结合扫描隧道显微镜中的钨探针,构成了完全对称的表面扫描测头,采用类似于AFM[6]的轻敲模式(tapping mode)型扫描,适合分析柔软、黏性和脆性的样品,并适合在液体中成像。进一步结合信号处理电路、反馈控制模块、高精度扫描平台和图像显示等构成了以PVDF压电薄膜为谐振梁的SPM系统。在测头PVDF悬臂梁下粘接的钨探针的有效长度为数百微米[7],可以实现对大深宽比的沟槽结构进行有效测量。
1 SPM系统总体结构及工作原理
系统由PVDF薄膜振动梁式测头、测头信号处理电路、数据处理及控制系统、扫描成像系统及三维纳米定位控制系统五部分组成,图1所示为系统构成框图。
系统的工作原理是,当测头上完全对称的两块PZT受到相同的正弦信号激励后,PVDF薄膜振动梁被PZT的横向运动所驱动,带动探针沿垂直的Z向做恒定振幅为A的自由振荡,薄膜表面产生的电荷经电路放大处理为一定幅值的电压信号V。当试样在微动平台的带动下与探针发生触碰后,振动梁自由振幅A将减小为A′,相应的电信号由V减小为V′,将这一变化的电信号经处理电路传至计算机的数据采集单元,与电压设定值比较后输出一个压差信号,送入Z向位移控制机构,通过调整Z向工作台使得探针与试样的间距处于设定值并恒定不变,以此形成振幅反馈型控制。最后,通过程序使位移台沿X、Y方向步进一定步距,在试样表面上进行下一点的扫描。直到整个试样表面待测点测量完成后结束。根据扫描点处稳定到恒高状态下的Z向位移值以及X、Y向的步进量就可以重构出试样表面微观形貌图。图2是SPM系统整体实物图。
2 SPM各部分构成原理
2.1 测头的工作原理及特性
基于PVDF压电薄膜振动梁的轻敲式扫描测头的结构及原理如图3所示。测头主体部分由PVDF压电薄膜构成的振动梁及采用电化学研磨法得到的钨探针构成。PVDF薄膜经极化后具有优良的压电特性,沿垂直于极化面方向的压电常数g31可达0.26V·m/N。薄膜的密度在1.76～1.80g/cm3之间,薄膜轻薄、柔软,厚度均匀。钨探针由直径为60μm的钨金属丝经电化学研磨制备而成,其有效长度可达数百微米。该测头结构中,PVDF薄膜振动梁被设计为具有一定弯曲弧度的简支梁形式,在其下表面中央处粘接钨探针。薄膜的左右两端通过夹持机构分别固定在两个完全相同的压电驱动器的外侧,两压电驱动器的内侧固定在它们共用的T形测头架上,由此构成振动梁探针结构。
测头处于工作状态时,两压电驱动器被激励后沿X方向伸缩;迫使PVDF振动梁沿垂直的Z向振动,同时带动探针始终振动于近共振状态。因此,测试中探针与试样不会持续接触,它们之间的相互作用方式是不断地以极小力瞬间接触、接触瞬间即分离,所以称这种扫描方式为微测力轻敲型扫描。对于该新型SPM测头,文献[8]只给出了一些初步的研究结果,本文将详细讨论其系统性能。
该PVDF薄膜具有良好的谐振特性。图4是通过工控机程控函数信号发生器输出信号激励PVDF薄膜振动,进行频率扫描得到的频谱曲线图。谐振频率约为3470Hz,对应前置放大电压信号幅值为0.79V,品质因数约为45,因此该振动梁对外力很敏感。
2.2 测头信号的检测及处理
测头输出信号的检测及处理电路包括前置放大电路和信号调理电路,图5是电路组成框图。利用函数信号发生器给测头提供适当幅值和频率的正弦交流信号,该信号激励PZT带动PVDF薄膜振动于谐振状态,由测头薄膜上下表面输出的等量正负电荷信号经由电荷/电压放大和差动信号放大后转化为经过前置放大的交流电压信号。而采集单元需要的是便于采集的直流信号,所以电路还设计了带通滤波、电压二级放大、交直流转换、低通滤波等信号处理部分,最后得到了高性噪比的直流电压信号。
2.3 精密定位台
精密定位台由宏动部分与微动部分构成。宏动部分用于定位台的粗定位,利用直流伺服电机,通过RS232串口和计算机相连实现运动控制,定位精度约为0.1μm。X、Y、Z三方向行程均为25mm。微动工作台由压电驱动器驱动,微动台的X、Y方向工作台集成了高精度应变式传感器,其运动分辨力在开环模式下为0.2nm,闭环模式下为2nm,Z方向工作台集成了电容式传感器来进行位移测量或实现闭环反馈控制,其闭环和开环工作状态下的运动分辨力都是0.05nm。三个方向的控制模式均可根据需要设置成开环控制或者闭环控制。X、Y、Z三方向行程分别为100μm、100μm、12μm。
2.4 反馈定位及扫描成像系统
本系统通过VC++编程来实现采集卡驱动、串行口处理、数据读取及处理和系统控制。X、Y、Z三个方向的反馈及纳米定位控制系统构成方式如图6所示。在进行试样扫描时,X、Y两方向利用计算机内的控制程序通过RS232串行口向微动控制箱提供位移量控制命令,经过微动控制箱内部集成的D/A转换模块和伺服控制放大模块以完成工作台的精确定位。另外,探针与试样之间位移的调整是通过测头电压值作为输出信号,经过信号调理电路送入工控机与预先设定的比较电压进行比较,通过PI算法对电压差值进行处理输出,经D/A转换、放大后输出电压信号,控制Z向工作台上的压电驱动器伸缩,调整试样与探针之间的距离使之处于恒高状态。Z向位移台闭环调节的过程中,采用的是增量式PI控制算法,比例参数P、积分参数I选取得是否合适对试样扫描时间的长短具有直接的影响。另外,Z向工作台的运动时刻受到其内部集成的电容位移传感器的“监视”,传感器输出信号经过放大整形、A/D转换后被送入工控机,作为该点的Z向坐标。三维扫描成像信号来自于工作台的三维位移信号,即利用软件程序从PI平台微动控制箱读取位移台三维空间位移值,再由三维位移信号构建被测试样表面的三维微观形貌图。
3 系统特性
该新型扫描探针显微镜系统的测试主要包括以下四个重要方面:系统噪声测试、探针与试样逼近-分离测试、PI动态响应测试和图像扫描显示测试。噪声大小是影响测头Z方向空间分辨力的重要因素之一,但系统存在噪声是无可避免的。本系统利用自行编写的程序完成对系统噪声水平的测试,程序中设置采样率为每秒200点,采样时间为3s,以测头谐振状态下输出的直流电压信号为测试对象,通过对采集到的数据进行处理得到系统的噪声水平。如图7所示,系统测头谐振状态下噪声信号峰峰值约为9mV。
试样与探针在逼近过程中,其间距和作用力之间的相互关系通过程序获取。位移台默认测试初始位置为相对零位。开始测试后,位移台相对于该零位的位移值与其相对应的测头直流信号电压值就表征了试样与探针间的距离和作用力,图8是力曲线测试图。通过线性拟合得到曲线线性段斜率,即试样与探针接触过程的灵敏度为49.8V/μm。再根据噪声测试结果,最终得到系统垂直方向空间分辨力为0.18nm。目前,基于压电微音叉构成的轻敲测头灵敏度可以达到0.46V/μm,其系统垂直方向空间分辨力为1.9nm[4],本系统与之相比,具有明显的优越性。大气环境下的轻敲模式AFM垂直分辨力一般在亚纳米量级,在分辨力上本系统与之相当,但本系统的钨探针有效长度有数百微米,在测量深度上具有明显的优越性。
为测定扫描探针显微镜系统在垂直方向上的动态响应特性,通过计算机程序发出指令控制纳米定位台向探针方向移动一定的位移量,以此模拟一个阶跃信号,测试系统稳定到设定电压值处的动态响应特性。通过测试SPM系统对此阶跃信号的响应,得到系统的动态响应特性并确定系统最佳P、I参数值,测试结果见图9。如图9a所示,当维持I=0.09不变时,参数P大小的改变直接影响系统的响应速度及到达稳态的时间;如图9b所示,当维持P=0.07不变时,参数I大小的改变影响系统调节静态误差的强度。最终确定P的范围为0.07～0.09,I的范围为0.05～0.09,相应的系统超调量为30mV左右,动态响应时间在130ms左右。
4 测量结果及分析
扫描探针显微镜系统通过采集被测试件表面的三维位移信息,经过处理后获取试样表面的三维微观形貌图。图10是系统扫描方式和数据点采集示意图,通过程序控制X、Y两方向的纳米定位台以预先设定步长对试样进行逐点逐行式扫描,即X方向每次以一个步长开始扫描,得到该点Z向坐标后,位移台再移动一个步长,探针开始下一点的扫描。每扫描完一行就返回到起点,沿Y方向步进一次,接着沿X向进行下一行的扫描,如此反复,直到扫描完预先设定的范围为止。为了验证系统测量的可行性,以公称栅距为2μm的光栅为试样,对所研制的SPM系统进行检验,获取的三维图如图11所示。扫描范围为18μm×18μm,X向步进量30nm,Y向步进量600nm,每行600个点,共由30条扫描线构成,平均栅距2.04μm,与理论值相符。图12为使用本原公司CSPM4000扫描探针显微镜得到的试样表面形貌图,扫描范围10μm×10μm,平均栅距1.92μm。通过比较,两者获得的形貌轮廓相近,但本文中的栅距值与理论值更接近。
5 结语
利用PVDF谐振梁和钨探针所构建的扫描测头中,PVDF薄膜既作为带探针的振动臂又作为微小位移的传感器,结构简单,不需要辅助的振幅检测系统,垂直分辨力高,达到了亚纳米量级。同时,所采用的钨探针有效工作长度可达数百微米,这使得对具有大深宽比的MEMS器件沟槽进行测量成为可能,填补了目前各类扫描探针显微镜系统的测量空白。另外,通过对聚酯材料光栅的测量表明该新型测量系统是有效的。
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扫描电子显微镜 篇9
关键词：扫描探针显微镜,纳米科技,发展
纳米科技的发展离不开各种显微技术的出现, 这其中最常见的莫过于大家所熟悉的光学显微镜。在此基础上, 为了提高分辨率, 人们又设计用电子束代替光子, 出现了各种电子显微镜。扫描探针显微镜 (Scanning Probe Microscope, 简称SPM) 是一类特殊的显微镜, 它涵盖了扫描隧道显微镜 (Scanning Tunnelling Microscope, 简称STM) , 原子力显微镜 (Atomic Force Microscope, 简称AFM) , 以及在此基础上延伸出的一系列显微模式。顾名思义, 这类显微镜是基于纳米探针与样品的作用来成像的。如果将我们熟知的光学显微方法比作是用眼睛看世界的话, 那么SPM就是“盲人摸象”。探针就像是显微镜的“手”, 触摸着纳米材料的表面, 并将它“摸到”的世界告诉大家。
SPM是目前世界上分辨率最高的显微镜, 可以在实空间看到单个原子, 这是其它显微方法所无法比拟的。同时, SPM直接给出的是三维的立体结果, 比起大部分显微镜的二维成像来说, 多了一个维度的信息。此外, SPM还具有成像环境多样, 应用灵活等优点。这些特质使得SPM表征技术几乎渗透到了纳米科技的各个领域。与此同时, SPM自80年代发明以来, 本身也在不断进步。目前已经发展出了几十种探测模式。这类独特的显微技术正伴随了纳米科技的发展, 而展现出强大的生命力。
扫描探针显微镜 (Bruker Gmbh, Fastscan)
扫描探针显微镜发展历史
SPM的诞生于1981年, 第一成员是扫描隧道显微镜 (STM) 。1981年, IBM实验室的Binning和Rohrer采用对探针和样品间的遂道电流的反馈控制, 实现对样品表面轮廓的探测。STM所达到的效果是惊人的, Binning和Rohrer直接看到了硅表面的单个原子。STM作为扫描探针显微镜家族的第一个成员, 为以后SPM的迅猛发展奠定了基础。而实现实空间原子成像也使STM成为目前分辨率最高的显微镜。Binning和Rohrer也因此获得了1986年诺贝尔物理学奖。
STM虽然惊艳, 但美中不足的是只能对导电样品成像, 无法用于绝缘样品。1986年, IBM公司Binning和Stanford大学的Quate研发出了原子力显微镜 (AFM) , 弥补了STM的不足。AFM的出现给SPM这个家族带来了极大的发展空间, 除了测试表面的形貌外, 人们尝试在AFM的基础上, 加入各种传感, 来获取更多种物质的信息。
如今的扫描探针显微镜, 已经涵盖了物理, 化学, 生物等各个领域的应用。小小的探针传递着各种来自纳米世界的声音。
扫描探针显微镜的特点和应用:SPM从出现开始就震惊世界, 经过三十年左右的发展, 更是成为纳米研究领域的研究利器, 其独特性主要表现在: (1) 三维实空间成像; (2) 高分辨; (3) 成像环境无特别要求; (4) 拓展模式丰富多样。这些特质使得SPM无可替代。
1三维实空间成像
由于可以直接测到样品表面微结构的高度信息, 且测量稳定性高, 因此SPM在纳米材料的科研以及工艺检测上应用广泛。如薄膜工艺中膜厚的观测;材料生长中实时形貌的观察;刻蚀工艺中工艺效果的反馈等。
2高分辨
SPM作为目前世界上分辨率最高的显微镜, 其横向分辨率可以达到0.1 nm (纳米) , 纵向分辨率高达到0.01nm。其高分辨集中体现在了原子成像, 以及对原子分子结构的研究。甚至可以直接用STM来操纵原子。SPM将我们对世界的认知真正提升到了原子层面。
3成像环境
SPM的另一大优势就是在空气, 液体, 以及真空环境中均可成像。因此, 液相AFM成为一大应用热点, 尤其是在生物领域。众所周知, 如何在测试过程中保持生物活性, 对于研究实际生物特性意义重大。液相AFM可以在培养液中对活细胞, 微生物等直接成像, 从而在生物研究中独树一帜。除此之外, 液相AFM还广泛到了化学等领域。如用电化学AFM、STM直接观察样品的物质析出, 欠电位沉积过程等。
4拓展功能丰富多样
SPM除了传统地对表面形貌进行成像外, 目前已经衍生出多种拓展模式, 如测量样品导电性的导电原子力、静电力, 测量半导体掺杂分布的扫描电容显微模式等。AFM探针还可以作为机械手, 对材料进行纳米刻蚀, 纳米加工等表面改性的工作。除此之外, 新的测量模式也在不断孕育。SPM方法展现出了强大的灵活性和生命力。
扫描电子显微镜 篇10
电子束焊机被广泛应用于高能物理、冶金工业、微电子工业、机械工业和航天航空工业等各个领域,在国民经济中起着非常重要的作用。在电子束焊接过程中,需要对电子束的轨迹进行精确控制,以达到一些特殊焊接工艺的要求,因此,要求电子束焊机具有扫描功能。电子束需扫描的图形是多样的,如点、线、圆、半圆、椭圆及矩形面等,这就要求电子束焊机的扫描信号发生器能生成多种图形的扫描信号。扫描信号发生器必须具有性能好、功能强和结构简单等特点,本文针对上述要求提出基于单片机的数字扫描信号发生器设计方法。
1电子束扫描原理
电子束以速度v通过给定的均匀磁场,在洛仑兹力作用下发生偏转。电子束在磁场出口处的偏转距离y与磁感应强度B的关系如下:
undefined。 (1)
式中: e——电子的电荷量;
m ——电子的质量;
Ea ——电场的加速电压;
l ——均匀磁场长度。
由式(1)可知:电子束偏转距离y与磁感应强度B成正比,而与加速电压的平方根成反比。在加速电压一定的情况下,在电子束真空管x、y方向同时加上不同的磁场信号,则电子束在两方向磁场作用下能产生各种图形的电子束轨迹,如在x、y方向分别加上正弦、余弦磁场信号就能产生圆或椭圆轨迹。电子束焊机的扫描信号可采用集成模拟电路或数字电路来获取。集成模拟电路功能单一,一种电路产生的波形种类少,因而存在电路结构复杂、不易调试、工作可靠性差等多种缺点;而数字电路具有结构简单、功耗低、功能多样、可产生多种波形信号、易于调试等多种优点,能满足电子束扫描焊接多种功能的要求。
2周期性波形的设计思想
根据电子束扫描原理,必须在x、y方向的线圈上施加不同类型或相同类型的周期性函数信号,才能获得不同形状的电子束扫描轨迹。因此,扫描电路必须能同时输出两路波形信号。为了实现以上目的,我们向单片机预置相应波形的程序,通过D/A转换和其它外围电路以获取x、y方向上的信号。具体的原理框图见图1。
使用函数信号能够得到很好的波形,但是在单片机CPU时钟频率没有调到最高的情况下,得到的波形频率只是在几毫赫兹到几十赫兹之间。为了提高波形频率,需要免去单片机计算输出波形的计算负担,人为地对波形输出点进行计算,并转化成D/A转换器输入数值,即波代码,然后建立函数表,通过查表来进行输出。
我们知道,一个正弦函数的周期是360o,值域为[-1,+1]。为了保证转换精度,在一个周期T中取256个采样点,各点的横坐标分别为0、T/255、2T/255、…、nT/255、…、255T/255,采样点正弦函数数值的表达式为:
undefined。 (2)
由于8位数模转换电路数值输入值是00H～FFH,要对正弦函数的波形进行编码,需要量化式(2)的数值,方法如下:
undefined。 (3)
根据式(3)计算所得到的是十进制数,按四舍五入的方法取为整数,所获得的整数再转化为十六进制数,即可得到正弦波的波代码,见表1。
由计算得出的波形函数表,通过程序存入单片机的程序存储器,利用单片机的定时器来产生定时,每当定时时间到时就可以由查表得到该点相应的输出数值,通过DAC0832,数字信号可转换成相应的模拟信号。如此周而复始地查表输出,就可以得到所要的正弦波。由于正弦波一个周期的点数是固定的,我们改变定时器的定时值,就可改变相邻两点的输出间隔时间,从而改变波形的频率。
余弦波、三角波、锯齿波和梯形波等形式的波形可以用同样的方法计算、编码、建立函数表,存在单片机程序存储器中。
3扫描电路设计
3.1 主控制器
设计中采用ATMEL公司的AT89S51 型单片机,它具有如下优点:①拥有完善的外部扩展总线,通过这些总线可方便地扩展外围单元、外设接口等,本设计需要采用它的串行总线,实现与PC机的通信;②内部拥有4kB的FLASH ROM程序存储空间和128B RAM数据存储空间,由于该芯片可反复擦写1 000次,故可以重复使用,如需更改程序内容,可直接在线编写程序,不必把芯片从工作环境中剥离。
3.2 键盘电路
为节省单片机的I/O口,简化硬件电路,采用4×4矩阵式键盘。键盘共设有数字键、单位键及功能键等16个键。设计中,数据和控制信号通过键盘输送给单片机以进行计算处理,这样,既可对所需波形信号的频率、幅度及功能进行控制,又可把输出的波形信号频率、幅度等参数通过显示屏显示出来。
3.3 显示电路
设计中采用8位、带LED背光、16×2个字符的GXM1602NSL液晶模块。显示电路连接图见图2。
GXM1602NSL的DB0～DB7与单片机的P1.0～P1.7口相连;E使能端与P3.2相连,undefined和RS分别与P2.3和P2.4相连;VDD端口接+5V电源,并且接一个去耦电容通地;VO和VSS端口接地,采用最高对比度。
3.4 D/A转换电路
本设计中采用DAC0832电流型输出芯片,它是一种使用较多的8位D/A转换器,其转换时间为1μs,工作电压为+5V～+15V,基准电压为±10V,内部由1个8位输入锁存器、1个8位DAC寄存器和1个8位D/A转换器组成。
为了使扫描电路能同时输出两路波形信号,必须同步进行D/A转换输出,所以本设计采用双缓冲同步方式。在此工作方式下,数字量的输入锁存和D/A转换输出分两步进行,即CPU的数据总线分时地向两路转换器输入要转换的数字量,并把该数字量锁存于各自的输入寄存器,然后CPU对所有的D/A转换器发出控制信号,使各D/A转换器输入锁存器中的数据送入DAC寄存器,实现同步转换输出。D/A转换电路硬件连接图见图3。
两片DAC0832的数据线都连到单片机的P0口;所有的undefined、undefined都连接到单片机的undefined端;两片DAC0832的undefined分别选择P20和P21端,则输入寄存器地址分别为FEFFH和FDFFH,这样可分别向两片DAC0832输入不同的数据;undefined都连接到P22端,使两片DAC0832的DAC寄存器具有相同的地址FBFFH,以便在CPU控制下实现两路信号同步进行D/A转换和输出。DAC0832外接电压运算放大器,使电流型输出转换为电压型输出,输出电压为-5V～0V。
3.5 滤波放大电路
转换后的模拟信号是单极性电压信号,需要滤波放大方可驱动电子枪的偏转线圈,滤波放大电路见图4。
由于受到DAC0832分辨率的限制和内部模拟电子开关时间不一致的影响以及开关接通、断开时间的脉冲干扰,使得D/A转换电路输出存在尖峰干扰和毛刺现象,为了避免尖峰和毛刺被放大难以滤除,先要对输出波形进行滤波。图4中,接入π型滤波器消除转换电路产生的毛刺。
为了使波形输出零点对齐,首先要结合去直流电路把D/A转换产生的直流分量去掉,然后再把滤去直流分量的x方向电压信号Ux与电位器RP1上的分压信号相加,即在原来波形上叠加一个直流恒定电压信号以调节信号波形零点。调节电路中的电位器RP2,可以改变输出波形幅值,这样可得到放大后的x方向电压信号。同理,可得到y方向电压信号Uy的滤波放大信号。
放大后的输出电压信号驱动电子枪的偏转线圈,使偏转线圈产生正交均匀磁场,以控制电子束的扫描轨迹,从而实现特殊焊接工艺要求。
3.6 串行通信接口电路
设计中,把AT89S51单片机与PC机接口COM1连接以进行串行通信,并在Visual Basic环境下,利用现有Microsoft Comm Control控件实现可视化人机交互界面。通过PC机,用户可以选择所需波形,设置输出波形信号的幅度、频率值,并对波形进行显示、存储等。
为了能使单片机与PC机之间通信,采用RS—232C串行通信标准总线接口,以二芯屏幕电缆为传输介质。鉴于单片机的串行口输入输出为TTL逻辑电平,高电平为3.8V左右,低电平为0.3V左右,而PC机的RS—232C串行口则采用+12V和-12V电平方式,采用RS-232C电平转换器MAX232将二者之间的电平转换。
4结束语
本文所设计的数字扫描双通道波形信号发生器,采用软硬件结合的方法简化了硬件设备,波形参数(幅度、频率)可以在一定范围内变化,通过VB实现可视化人机交互,操作方便。当然,这个波形信号发生器还存在不足之处,如产生高频波形时频率精度下降、滤波电路比较简单,还有待于进一步提高。
参考文献
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