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  • 發布時間:2019-12-29 11:21 原文鏈接: 掃描探針隔振措施

    隔振措施

    任何一個掃描探針顯微鏡系統都可以看作為一個具有一個特征共振頻率ωk的振子系統。當外界的機械振動頻率與ωk一致時,會激發掃描探針顯微鏡自身的共振,導致探針樣品之間的相對振動。這種振動對掃描圖像來說是一種周期性噪聲。為了減小外部振動對掃描探針顯微鏡的影響,掃描探針顯微鏡的機械部件通常由剛性很好的金屬制成以使其共振頻率很高(通常高于100kHz)。但是掃描器的共振頻率相對來說要低的多,尤其是掃描范圍越大的掃描器其共振頻率越低。因此在現在的SPM系統中,通常要在掃描范圍與共振頻率間做一個權衡。

    隔振系統可以分為被動式隔振和主動式隔振兩大類。被動式隔振系統的基本原理如下。外界振動頻率與系統本身的共振頻率相差越大則系統受外界振動的影響越小。

    因此,被動式隔振系統的共振頻率做的盡可能低以此避開外界的高頻振動干擾。因此,如果掃描探針顯微鏡的掃描頭放到一個被動式隔振平臺上,只有與被動式隔振平臺共振頻率(5Hz到10Hz)接近的外界振動干擾能夠傳遞到掃描頭上,這一部分的外界振動干擾的頻率很低。如果掃描頭的共振頻率較高(10k到100k),則這一部分外界振動干擾對掃描頭的影響非常小。通常,為了對共振頻率處的噪聲進行抑制,隔振系統中會引入一些耗散力。

    根據上面的介紹可知,被動式隔振系統共振頻率越低則隔振性能越好。但是我們知道彈簧振子系統的共振頻率由如下公式決定。

    image.png

    其中K是彈性系數,m是被動式隔振系統的有效質量。為了讓共振頻率很低,應選擇很小的K和很大的m。但是另一方面彈簧的形變量Δl=mg/K。簡單的計算可知,為了讓被動式隔振系統的共振頻率小于1Hz,彈簧的形變量將大約250mm。整個被動式隔振系統的長度會很長,而這是不實用的。所以,商用的被動式隔振系統的共振頻率通常在5Hz到10Hz之間。

    主動式隔振系統利用負反饋來抵消外界振動,也常被用作SPM掃描頭的隔振。主動式隔振系統基本工作原理如下。在主動式隔振系統的臺面上安裝加速度傳感器,檢測臺面的振動,并將振動信號輸入一個反饋控制系統。反饋控制系統根據檢測到的振動信息,驅動壓電運動部件(或其他形式的運動部件)產生一個反向的運動以抵消臺面收到的外界振動的影響。假設外界振動給臺面了一個驅動力,使得臺面產生的振動,其振幅為u0:

    image.png

    對應的臺面的加速度為

    image.png

    反饋系統作用就是給臺面提供一個反向的運動:

    image.png

     臺面最終的運動為這兩個運動的矢量和:

    image.png

    通過反饋控制器的調節,使得臺面的加速度趨于0。由于反饋控制器的響應頻率有限,主動式隔振系統通常對低頻振動的抑制能力比對高頻振動的抑制能力要強。這與被動式隔振平臺的性能正好互補。因此在SPM的應用場合我們經常能看到在主動式隔振系統之上再加一級被動式隔振平臺構成多級隔振系統。

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