(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 219529 PL 21952 9 B1

RZECZPOSPOLITA
POLSKA
(12)
OPIS PATENTOWY
(19)
(21) Numer zgłoszenia: 397845
Urząd Patentowy
Rzeczypospolitej Polskiej
(54)
(22) Data zgłoszenia: 19.01.2012
PL
219529
(13) B1
(11)
(51) Int.Cl.
G01B 7/00 (2006.01)
H01J 37/26 (2006.01)
G06F 19/00 (2011.01)
Układ synchronicznej cyfrowej detekcji amplitudy i fazy składowych harmonicznych
sygnału pochodzącego z sondy pomiarowej w dynamicznym mikroskopie
sił atomowych
(73) Uprawniony z patentu:
UNIWERSYTET ŁÓDZKI, Łódź, PL
(43) Zgłoszenie ogłoszono:
22.07.2013 BUP 15/13
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono:
(72) Twórca(y) wynalazku:
SŁAWOMIR PAWŁOWSKI, Zduńska Wola, PL
GRZEGORZ DOBIŃSKI, Zgierz, PL
MAREK EUGENIUSZ SMOLNY, Łódź, PL
MICHAŁ PISKORSKI, Łódź, PL
29.05.2015 WUP 05/15
(74) Pełnomocnik:
PL 219529 B1
rzecz. pat. Wojciech Zajączkowski
2
PL 219 529 B1
Opis wynalazku
Przedmiotem wynalazku jest układ synchronicznej cyfrowej detekcji amplitudy i fazy składowych
harmonicznych sygnału pochodzącego z sondy pomiarowej w dynamicznym mikroskopie sił atomowych, znajdujący zastosowanie w analizie właściwości fizycznych oraz topografii badanej powierzchni.
Z pracy Springer Handbook of Nanotechnology pod edycją H. Bushana wydanie II 2007 na
stronach 744-758 znany jest układ detekcji amplitudy i fazy pierwszej harmonicznej przy użyciu
wzmacniacza homodynowego.
Z pracy „Higher harmonics imaging in tapping-mode atomic-force microscopy” opublikowanej
przez R. W. Starka i W. M. Heckla w tomie 74, numerze 12 czasopisma Review of Scientific Instruments z grudnia 2003 znany jest układ umożliwiający jednoczesną detekcję amplitudy i fazy pierwszej
oraz dowolnej harmonicznej sygnału pochodzącego z beleczki pomiarowej polegający na użyciu
dwóch wzmacniaczy homodynowych, z tym że do drugiego doprowadzony jest sygnał referencyjny
o częstotliwości będącej powieleniem częstotliwości wzbudzającej drgania beleczki pomiarowej.
Z pracy wydanej w tomie 70, numerze 9 z września 1999 Review of Scientific Instruments
autorstwa M. Starka i R. Guckenbergera pt. „Fast low-cost phase detection setup for tapping-mode
atomic force microscopy” znany jest układ detekcji przesunięcia fazy pierwszej harmonicznej sygnału
odbitego od powierzchni beleczki pomiarowej przy zastosowaniu przerzutnika bistabilnego oraz układ
filtru dolnoprzepustowego lub też alternatywnego rozwiązania z wykorzystaniem generatora napięcia
piłokształtnego oraz układu próbkująco pamiętającego. W obu tych przypadkach mierzone przesunięcie fazowe jest proporcjonalne do uśrednionej wartości napięcia pojawiającego się na wyjściu filtru
dolnoprzepustowego bądź układu próbkująco-pamiętającego.
Z pracy autorstwa R. Hillenbranda, M. Starka i R. Guckenbergerga pt. „Higher-harmonics generation in tapping-mode atomic-force microscopy: Insights into the tip-sample interaction” opublikowanej w Applied Physics Letters tom 76, numer 23 z czerwca 2000 r. znany jest układ detekcji amplitudy
składowych harmonicznych drgań beleczki pomiarowej polegający na akwizycji sygnału z diody PSD
przez przetwornik analogowo-cyfrowy, a następnie przetworzeniu go przy użyciu szybkiej transformaty
Fouriera i algorytmów uśredniających.
Z pracy autorstwa Toshio Ando, Noriyuki Kodera, Eisuke Takai, Daisuke Maruyama, Kiwamu
Saito i Akitoshi Toda opublikowanej w PN AS 23 października 2001, w tomie 98, numerze 22 na stronach 12468-12472 znany jest układ wykorzystujący przetwornik wartości skutecznej sygnału do uzyskania wartości błędu kontrolera PID.
Istota układu synchronicznej cyfrowej detekcji amplitudy i fazy składowych harmonicznych
sygnału pochodzącego z sondy pomiarowej w dynamicznym mikroskopie sił atomowych według wynalazku polega na tym, że zawiera programowalną pętlę sprzężenia fazowego połączoną z przetwornikiem analogowo-cyfrowym, który jest połączony z układem FPGA.
Układ synchronicznej cyfrowej detekcji amplitudy i fazy składowych harmonicznych sygnału pochodzącego z sondy pomiarowej w dynamicznym mikroskopie sił atomowych według wynalazku, zapewnia zarówno generowanie sygnału błędu dla kontrolera PID, jak i detekcję amplitudy i fazy składowych harmonicznych sygnału drgań beleczki pomiarowej powstałych na skutek interakcji sondy
próbkującej z badaną powierzchnią.
Korzystnym jest, że układ poprzez próbkowanie sygnału z częstotliwością będącą całkowitą
wielokrotnością częstotliwości wzbudzającej drgania sondy eliminuje zjawisko przecieku widma występujące podczas obliczania przekształcenia Fouriera, a tym samym poprawia czułość detekcji harmonicznych oraz umożliwia odtworzenie prawidłowych przesunięć fazowych świadczących o właściwościach fizycznych badanej powierzchni, ponadto nie jest konieczne korygowania wartości obliczonych amplitud składowych widma częstotliwościowego co dodatkowo przyspiesza obliczenia.
Korzystnym jest, że układ poprzez użycie przekształcenia Fouriera pozwala na równoczesne
uzyskanie informacji o amplitudzie i przesunięciach fazowych wielu harmonicznych jednocześnie.
Korzystnym jest, że układ można wykorzystać do obliczenia sygnału błędu dla kontrolera PID
na podstawie amplitudy pierwszej harmonicznej.
Korzystnym jest również, że układ jest w stanie obliczyć amplitudę pierwszej harmonicznej
w czasie niewiele dłuższym od czasu pojedynczego okresu sygnału wzbudzającego drgania sondy
pomiarowej.
PL 219 529 B1
3
Układ synchronicznej cyfrowej detekcji amplitudy i fazy składowych harmonicznych sygnału pochodzącego z sondy pomiarowej w dynamicznym mikroskopie sił atomowych, według wynalazku
przedstawiono na rysunku w postaci schematu.
Wyjście układu bezpośredniej syntezy cyfrowej 10 połączone jest z elementem piezoelektrycznym 9, a także z wejściem sygnału referencyjnego programowalnej pętli sprzężenia fazowego 11.
Sygnał zegarowy 12 wychodzący z pętli sprzężenia fazowego połączony jest z wejściem zegarowym
przetwornika analogowo-cyfrowego 1. Laser 17 umieszczony jest w taki sposób aby, jego promień
po odbiciu od beleczki pomiarowej 20 trafiał na diodę PSD 8. Powstały w niej sygnał napięciowy doprowadzony jest do filtru antyaliasingowego 4, za którym umieszczony jest przetwornik cyfrowoanalogowy 1. Cyfrowe linie danych oraz wyjściowy sygnał zegarowy 21 przetwornika połączone są
z układem FPGA 14, w którym zaimplementowany jest algorytm obliczający szybkie przekształcenie
Fouriera, algorytmy uśredniające, a także algorytm obliczający wartość pojedynczego prążka dyskretnego przekształcenia Fouriera oraz algorytmy obliczające fazę i amplitudę na podstawie przekształcenia Fouriera (CORDIC) lub tylko przybliżoną amplitudę (Alfa max plus Beta min). Dodatkowo układ
FPGA 14 połączono z komputerem PC 15 umożliwiającym przesyłanie ustawień z programu użytkownika oraz widma sygnału do programu użytkownika. Układ FPGA 14 połączony za pomocą linii 2 jest
także z przetwornikiem cyfrowo-analogowym 13, który z kolei połączony za pomocą linii 6 jest z komparatorem 5. Do drugiego wejścia komparatora podłączony jest sygnał określający punkt pracy 3,
który określa stopień tłumienia drgań beleczki pomiarowej. Wyjście komparatora połączone jest jako
sygnał 6 błędu regulatora PID 7. Wyjście regulatora PID połączono do wzmacniacza toru „Z” 19, który
połączony jest w sposób umożliwiający wychylenie piezo skanera 16 w kierunku „Z”.
Jednocześnie sygnał z wyjścia regulatora PID 7 jest informacją o topografii powierzchni 18.
Działanie układu według wynalazku jest następujące. Sygnał wzbudzający drgania sondy próbkującej, generowany przez układ bezpośredniej syntezy cyfrowej 10 podawany do elementu piezoelektrycznego 9, jest on jednocześnie sygnałem referencyjnym dla programowalnej pętli sprzężenia
x
fazowego 11, która służy do wytworzenia sygnału zegarowego 12 o częstotliwości 2 (np. 64, 128, 256)
razy większej od częstotliwości z jaką drga beleczka pomiarowa. Wytworzone w ten sposób impulsy
zegarowe służą z kolei do taktowania przetwornika analogowo-cyfrowego 1, a także części zasobów
logicznych układu FPGA 14 odpowiedzialnego za odczyt danych oraz obliczanie amplitudy oraz fazy
drgań sondy pomiarowej. Próbkowanie z całkowitą wielokrotnością sygnału wejściowego eliminuje
zjawisko przecieku widma i nie wymaga stosowania okienkowania, co dodatkowo zwiększa czułość
opracowanej metody. Dodatkowo, generowanie impulsów zegarowych, których częstotliwość jest potęgą 2 pozwala zachować tę właściwość również przy analizie wyższych harmonicznych obliczanych
z użyciem algorytmu szybkiej transformaty Fouriera i umożliwia odtworzenie przesunięć fazowych
poszczególnych harmonicznych. Wartość amplitudy ulega konwersji na napięcie w przetworniku
cyfrowo-analogowym 13 i trafia do komparatora 5, gdzie zostaje porównana z nastawą 3 określającą
punkt pracy układu - wielkość tłumienia drgań ostrza na skutek jego oddziaływania z próbką. Powstały
w ten sposób sygnał błędu 6 podawany jest do regulatora PID 7, który podstraja wzmacniacz wysokiego napięcia „Z” 19 tak, aby amplituda drgań ostrza 20 była zachowana na stałym poziomie. Sygnał
regulacji 18 jest proporcjonalny do nierówności powierzchni i służy do utworzenia na ekranie komputera obrazu topograficznego.
W związku z tym, iż cały proces próbkowania i przetwarzania jest synchronizowany, możliwe
jest również obliczanie w czasie rzeczywistym zmian przesunięcia fazowego dowolnej składowej harmonicznej, sygnału pochodzącego z drgającej sondy pomiarowej w stosunku do sygnału wymuszającego jej drgania. Tak obliczone amplitudy i fazy składowych harmonicznych przesyłane są do systemu
komputerowego 15, gdzie mogą być dalej analizowane i przetwarzane.
Algorytm detekcji fazy i amplitudy drgań beleczki pomiarowej oblicza pierwszą harmoniczną
zgodnie ze wzorem na dyskretne przekształcenie Fouriera:
gdzie:
X(m) - m-ta składowa wyjściowej DFT,
m - indeks próbek wyjściowych DFT w dziedzinie częstotliwości,
x(n) - ciąg próbek wejściowych,
4
PL 219 529 B1
n - indeks próbek wejściowych w dziedzinie czasu,
N - liczba próbek ciągu wejściowego oraz liczba punktów częstotliwości w ciągu wyjściowym DFT.
8
Wzór ten dla pierwszej harmonicznej obliczanej z np. N = 2 = 256 elementowego ciągu próbek
rzeczywistych x(n) przyjmuje postać:
W układzie FPGA 14 następuje równoległe przetwarzanie części urojonej i rzeczywistej. W każdym
cyklu zegara wartość odczytana z przetwornika analogowo-cyfrowego jest mnożona przez odpowiednią wartość funkcji sinus (dla części urojonej) oraz cosinus (dla części rzeczywistej). Zastosowanie
wbudowanych w układy FPGA bloków DSP umożliwia również w tym samym cyklu sumowanie
poszczególnych iloczynów. Odpowiednie wartości funkcji sinus zostały stablicowane i są wczytywane
do dwuportowego bloku pamięci RAM w momencie konfiguracji układu FPGA. Użycie pamięci dwuportowej umożliwia wykorzystanie tych samych wartości, ale odpowiednio przesuniętych, jako mnożników dla części rzeczywistej i urojonej. Z uzyskanej w ten sposób pierwszej składowej widma obliczana jest przy użyciu algorytmu CORDIC amplituda oraz faza drgań sondy próbkującej lub przy użyciu algorytmu Alfa max plus Beta min przybliżona wartość tej amplitudy.
Zastrzeżenie patentowe
Układ synchronicznej cyfrowej detekcji amplitudy i fazy składowych harmonicznych sygnału pochodzącego z sondy pomiarowej w dynamicznym mikroskopie sił atomowych, znamienny tym, że
zawiera programowalną pętlę sprzężenia fazowego (11) połączoną z przetwornikiem analogowo-cyfrowym (1), który jest połączony z układem FPGA (14).
PL 219 529 B1
Rysunek
5
6
PL 219 529 B1
Departament Wydawnictw UPRP
Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)