原子力显微镜减震降噪的升级改造

胡国文, 王光鹏

(1.兰州大学 功能有机分子化学国家重点实验室,兰州 730000；2.中国科学院 青藏高原研究所 高寒生态学与生物多样性重点实验室,北京 100101)

0 引 言

原子力显微镜(Atomic force microscopy，AFM)是一种以物理学原理为基础，通过扫描探针与样品表面原子相互作用而成像的新型表面分析仪器。它属于继光学显微镜、电子显微镜之后的第3代显微镜。AFM通常利用一个很尖的探针对样品扫描，探针固定在对探针与样品表面作用力极敏感的微悬臂上。悬臂受力偏折会引起由激光源发出的激光束经悬臂反射后发生位移。检测器接受反射光，最后接受信号经过计算机系统采集、处理、形成样品表面形貌图像。与扫描电镜相比，扫描探针显微镜有分辨率更高、可对Z方向分辨、对样品导电性无要求、常压下甚至在液体环境下都可以良好工作等优点。同时，也有成像范围太小、速度慢、受探头的影响太大、由于测试样品的开放环境而易受外界噪音、震动的影响等缺点[1-6]。

1 实 验

1.1 噪音、震动对AFM的影响

按照噪音的频率，可将噪声分为：低频噪声(主频率低于300 Hz)、中频噪声(主频率在300～800 Hz)、高频噪声(主频率高于800 Hz)。而AFM的核心部件是力的传感器件, 包括微悬臂( Cantilever) 和黏附在其上面的针尖组成, 其主要受到低频噪音的干扰[7-10]。随着城市轨道交通网的建设，精密仪器使用场所所在的区域难免会有地铁穿过。而相应的震动则会对仪器功能、精度等带来影响，易出现信噪比低、精度差、重复性变差、准确度下降、甚至不能正常工作等问题[11-18]。如图1所示，图像中出现的突然条纹为常见的由震动或针尖不稳定等因素导致仪器不能成像的问题。因此如何降低仪器环境噪音、震动对仪器正常、准确、高效的工作有着非常重要的现实意义。

图1 震动或针尖不稳定导致的无法成像

1.2 装置研制

针对AFM易受外界噪音、震动影响的缺陷，选用Agilent5400型原子力显微镜为对象，利用隔音棉吸收部分环境噪音，通过弹簧悬挂来降低震动对该仪器造成的影响，最终设计并加工了屏蔽减震箱，将该仪器放置于屏蔽减震箱内，噪音水平明显降低，仪器工作环境得到的较大的改善，分辨率有一定提升。

(1)材料。Agilent5400型原子力显微镜、隔音棉约3 m2、木板约3 m2、弹簧4根(60 cm)、加厚铁板1块(40 cm×40 cm)、胶水、合页、螺丝，抽屉把手。

(2)制作。如图2所示，用木板加工一个长宽高分别为0.5 m,0.5 m,1 m的箱体。在箱体内用胶水粘贴一层厚度约为2 cm的隔音棉，从而起到降噪的效果。在箱体内顶部自由悬挂4根弹簧，用于悬挂加厚铁板，将Agilent5400型原子力显微镜居中放置于加厚铁板上，从而起到减震效果。

图2 屏蔽减震箱设计示意图

2 结果与分析

(1) 改造前后实物图。如图3所示，改造前仪器成像主要部件如扫描头、样品盘、检测器、光学显微系统及支架只能放置于桌面上，从而受到周围环境如临街噪音、桌面震动、楼层震动的影响。改造后，可以将其核心部件放置于箱体内，利用隔音棉起到降噪，弹簧起到减震的效果。

改造前

改造后

(2) 减震降噪效果。通过将Agilent5400型AFM放置于屏蔽减震箱内，当外界桌面震动时，可以很明显地发现箱体内仪器并未随着桌面震动而晃动，从而在测试的过程中避免了随机出现的比如桌面被碰撞而引起的跳针等仪器无法工作的情况，同时在平时仪器放置时，外界产生的震动也可能对仪器硬件带来损伤。而将其放置于屏蔽减震箱内后，日常存放中也大大地增加仪器的安全性。表1显示了改造前后不同时间点测量得到的噪音值，通过数据可以看出，将仪器放置于屏蔽减震箱后，噪音最大降低了20 dB，最小降低了15 dB，其环境噪音得到了一定程度的改善。

表1 不同次仪器改造前后噪音值

3 结 语

通过设计加工屏蔽减震箱，并将仪器放置于箱体内存放运行，一方面仪器日常存放遇到的震动可得到部分减少，有效保护了仪器并可避免一些不确定因素对仪器造成的损伤，同时也可以延长仪器部件寿命。同时其噪音也得到了明显改善，有利于AFM这类精密仪器良好运行，获取准确可靠的科研数据。 同时该减震屏蔽箱的设计思路也可以用来对其他一些精密仪器进行减震降噪，对于大型仪器的运行、维护、更好发挥测试功能有一定参考性。

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