一種多頻掃描探針聲學顯微鏡系統及其實現方法與流程

2023-12-09 07:56:31 5

本發明涉及顯微鏡技術領域，尤其是一種多頻掃描探針聲學顯微鏡系統及其實現方法。

背景技術：

掃描探針聲學顯微鏡(scanningprobeacousticmicroscope，spam)是將掃描探針顯微鏡(scanningprobemicroscope，spm)和掃描聲學顯微鏡(scanningacousticmicroscope，sam)兩種技術結合起來的一種新技術，它既有掃描探針顯微鏡的高分辨表面成像優勢，又有掃描聲學顯微鏡的非破壞性內部成像的特點，可以原位同時觀察材料基於不同成像機理的表面形貌和聲學像，是一種新型多功能顯微成像技術。

現有的掃描探針聲學顯微鏡，其結構如圖1所示，包括雷射器1，微懸臂探針2，四象限接收器3，樣品4，聲學換能器5，掃描器6，聲學信號源7，相干檢測解調模塊9，掃描探針顯微鏡控制器25，表面形貌圖顯示模塊13，聲學信號圖顯示模塊14。圖1中，掃描探針聲學顯微鏡在原有原子力顯微鏡的基礎上，增加了一個聲學信號源7，驅動樣品4底部的聲學換能器5對樣品4產生一個特定頻率的聲激勵，以聲波的形式穿過樣品4和聲學換能器5的邊界，在樣品4內傳播。當該頻率的聲波在樣品4中遇到材料微觀結構和局域性能的不均勻時，如微缺陷、疇結構、晶粒晶界及晶粒取向變化以及成分不均勻等時，聲波就會發生折射、反射、幹涉等聲學過程，從而在樣品4上表面不同區域產生振幅和相位的變化。這些變化，將傳遞到與樣品4表面接觸的微懸臂探針2，引起微懸臂探針2的懸臂梁同頻振動而形成振動信號，該振動信號的振幅或相位攜帶有樣品4的結構(如表面、亞表面及內部)信息。為了不影響「探針-樣品」體系的穩定性，保證探針掃描過程中在反饋系統控制和驅動下能夠始終跟蹤樣品的表面起伏進行升降並準確得到樣品的表面形貌，必須嚴格控制樣品底部的聲激勵強度，因而微懸臂探針2接收到的聲學信號十分微弱且隱藏在因樣品起伏引起的相對較大的探針懸臂梁垂直方向振動信號中。但微懸臂探針2的聲學信號因聲學激勵信號而產生，它具有一個十分重要的特徵，就是和聲學激勵信號具有相干性。因此，可以採用相干檢測技術來對微懸臂探針2的聲學信號進行檢測，即以聲學激勵信號作為參考信號，解調出微懸臂探針2接收到的微弱聲學信號，並將其輸入到由掃描探針顯微鏡控制器25、表面形貌圖顯示模塊13和聲學信號圖顯示模塊14組成的掃描探針顯微鏡控制系統中，從而實時同步顯示樣品4的表面形貌像和聲學像，因此，掃描探針聲學顯微鏡能夠同時獲得樣品的表面形貌和內部結構信息。

然而，現有的掃描探針聲學顯微鏡只具有一個聲學信號源，只能產生單一頻率的聲激勵信號在樣品底部進行聲激勵，存在著以下缺點：

(一)聲學信號對樣品的局部區域檢測不靈敏，不夠準確。

掃描探針聲學顯微鏡檢測時，利用探針在樣品表面與樣品接觸耦合，對聲學信號進行拾取接收。理論分析表明，當聲激勵信號的頻率與「樣品-探針」的局部彈性耦合體系的固有頻率接近時，聲學信號的檢測靈敏度更高。而「樣品-探針」的局部彈性耦合體系的固有頻率除了與探針微懸臂彈性梁的固有頻率相關，還與針尖所接觸的樣品區域的材料力學性能和結構(包括缺陷)相關，也就是說，由於樣品在微觀或介觀尺度上的不均勻性，不同區域的「樣品-探針」的局部彈性耦合體系的固有頻率並不相同，故現有的掃描探針聲學顯微鏡採用了單一頻率的聲激勵信號，聲學信號的檢測靈敏度也不相同，對於樣品檢測範圍中的某些局部區域，可能會因為聲學信號靈敏度降低而遺漏其結構或缺陷的信息，不夠準確。

(二)樣品內部結構的檢測存在盲區，不夠準確。

與一般掃描探針顯微鏡只能得到樣品表面信息不同，掃描探針聲學顯微鏡利用聲波在樣品內部的穿透性，可以得到樣品內部結構(或缺陷)的相關信息。原理上，樣品內部沿聲波傳遞方向上存在一系列間隔為聲波半波長的檢測盲區。現有的掃描探針聲學顯微鏡採用了採用單一頻率的聲激勵信號，對於同一樣品介質，其內部檢測盲區位置也是固定的，在對樣品進行檢測時，可能會因為檢測盲區的存在而遺漏位於檢測盲區中的結構或缺陷的信息，不夠準確。

(三)檢測效率低下和無法實時獲取樣品的全部信息。

為了克服(一)、(二)兩點所述的單一頻率聲激勵掃描探針聲學顯微鏡的缺點，在實際檢測時，為了防止樣品結構或缺陷的遺漏，需要在對樣品進行一次掃描成像完成後，重新設定不同的聲激勵信號頻率來對樣品進行掃描成像。也就是說，為了防止遺漏樣品結構信息或缺陷信息的檢測，現有的掃描探針聲學顯微鏡需改變頻率來多次成像。由於掃描探針聲學顯微鏡是一種探針逐點掃描採樣成像的高分辨納米(10-9米)表徵技術，其成像速度較慢(一般每幅圖像需要1000秒量級)且圖像有效像素點點距很小(一般納米量級)，多次掃描成像導致了檢測效率低下，無法實時得到樣品的全部結構信息。

技術實現要素：

為解決上述技術問題，本發明的目的在於：提供一種準確、效率高和實時的，多頻掃描探針聲學顯微鏡系統。

本發明的另一目的在於：提供一種準確、效率高和實時的，多頻掃描探針聲學顯微鏡系統的實現方法。

本發明所採取的技術方案是：

一種多頻掃描探針聲學顯微鏡系統，包括：

多個聲學信號源，用於產生多個不同頻率的聲學信號；

多路信號疊加模塊，用於對多個不同頻率的聲學信號進行疊加，得到疊加後的聲學信號；

聲學換能器，用於根據疊加後的聲學信號對樣品產生多個不同頻率的聲激勵信號；

掃描器，用於驅動樣品進行掃描移動；

微懸臂探針，用於在樣品表面接收多個不同頻率的聲激勵信號穿過樣品後形成的聲學信號，得到相應的振動信號；

光電檢測系統，用於將微懸臂探針的振動信號轉換為相應的電信號；

多個相干檢測解調模塊，用於分別以各所述聲學信號源的各個頻率的聲學信號作為參考信號，從光電檢測系統的電信號中解調出各個頻率的樣品聲學信號圖；

掃描探針顯微鏡控制系統，用於根據光電檢測系統的電信號得到樣品的表面形貌圖，並將樣品的表面形貌圖和各個頻率的樣品聲學信號圖進行同步顯示；

各所述聲學信號源的輸出端與多路信號疊加模塊的輸入端連接，所述多路信號疊加模塊的輸出端與聲學換能器的輸入端連接，所述聲學換能器位於樣品的底部以及掃描器的上方，所述光電檢測系統的輸出端分別與掃描探針顯微鏡控制系統的輸入端以及各所述相干檢測解調模塊的信號輸入端連接，各所述相干檢測解調模塊的參考源輸入端與各所述聲學信號源的輸出端對應連接，各所述相干檢測解調模塊的輸出端與掃描探針顯微鏡控制系統的輸入端連接，所述掃描探針顯微鏡控制系統的輸出端與掃描器的輸入端連接。

進一步，所述掃描探針顯微鏡控制系統包括：

低通濾波器，用於對光電檢測系統的電信號進行低通濾波，得到濾除聲學信號後的樣品表面形貌信號；

反饋控制模塊，用於根據濾除聲學信號後的樣品表面形貌信號得到樣品的表面形貌圖，並生成控制掃描器升降的控制信號；

多個樣品聲學信號圖顯示模塊，用於顯示各個頻率的樣品聲學信號圖；

樣品表面形貌圖顯示模塊，用於顯示樣品的表面形貌圖；

所述低通濾波器的輸入端與光電檢測系統的輸出端連接，所述低通濾波器的輸出端與反饋控制模塊的輸入端連接，所述反饋控制模塊的輸出端分別與樣品表面形貌圖顯示模塊的輸入端以及掃描器的輸入端連接，各所述聲學信號圖顯示模塊的輸入端與各相干檢測解調模塊的輸出端對應連接。

進一步，所述掃描探針顯微鏡控制系統還包括：

聲學信號融合模塊，用於將所有頻率的樣品聲學信號圖進行圖像融合，得到樣品多頻聲學信號融合圖像；

聲學信號融合圖像顯示模塊，用於顯示樣品多頻聲學信號融合圖像；

所述聲學信號融合模塊的輸入端分別與各相干檢測解調模塊的輸出端連接，所述聲學信號融合模塊的輸出端與聲學信號融合圖像顯示模塊的輸入端連接。

進一步，所述反饋控制模塊由cpu、dsp或fpga及外圍電路組成，所述多路信號疊加模塊或聲學信號融合模塊為由運算放大器、電阻和電容構成的加法電路。

進一步，所述光電檢測系統包括：

雷射器，用於發出入射光；

四象限接收器，用於接收入射光經微懸臂探針反射後形成的反射光；

所述四象限接收器的輸出端分別與掃描探針顯微鏡控制系統的輸入端以及各所述相干檢測解調模塊的信號輸入端連接。

本發明所採取的另一技術方案是：

一種多頻掃描探針聲學顯微鏡系統的實現方法，包括以下步驟：

對多個聲學信號源的多個不同頻率的聲學信號進行疊加，得到疊加後的聲學信號；

疊加後的聲學信號驅動聲學換能器對樣品產生多個不同頻率的聲激勵信號；

微懸臂探針對樣品進行掃描，接收多個不同頻率的聲激勵信號穿過樣品後形成的聲學信號，得到相應的振動信號；

通過光電檢測系統將微懸臂探針的振動信號轉換為相應的電信號；

多個相干檢測解調模塊分別以各聲學信號源的各個頻率的聲學信號作為參考信號，從光電檢測系統的電信號中解調出各個頻率的樣品聲學信號圖；

掃描探針顯微鏡控制系統根據光電檢測系統的電信號得到樣品的表面形貌圖，並將樣品的表面形貌圖和各個頻率的樣品聲學信號圖進行同步顯示。

進一步，所述微懸臂探針對樣品進行掃描，接收多個不同頻率的聲激勵信號穿過樣品後形成的聲學信號，得到相應的振動信號這一步驟，其包括：

聲學換能器產生的多個不同頻率的聲激勵信號穿過樣品，形成相應的聲學信號；

微懸臂探針在樣品表面進行逐點掃描，接收多個不同頻率的聲激勵信號穿過樣品後形成的聲學信號，得到微懸臂探針懸臂梁的振動信號，所述微懸臂探針懸臂梁的振動信號包括樣品表面形貌起伏引起的低頻振動信號和聲學信號引起的高頻振動信號，所述聲學信號引起的高頻振動信號包含了分別與多個不同頻率的聲激勵信號穿過樣品後形成的聲學信號的頻率相同的振動。

進一步，所述掃描探針顯微鏡控制系統根據光電檢測系統的電信號得到樣品的表面形貌圖，並將樣品的表面形貌圖和各個頻率的樣品聲學信號圖進行同步顯示這一步驟，其包括：

對光電檢測系統的電信號進行低通濾波，得到濾除聲學信號後的樣品表面形貌信號；

反饋控制模塊根據濾除聲學信號後的樣品表面形貌信號得到樣品的表面形貌圖，並生成控制掃描器升降的控制信號；

將樣品的表面形貌圖和各個頻率的樣品聲學信號圖進行同步顯示。

進一步，所述掃描探針顯微鏡控制系統根據光電檢測系統的電信號得到樣品的表面形貌圖，並將樣品的表面形貌圖和各個頻率的樣品聲學信號圖進行同步顯示這一步驟，還包括：

聲學信號融合模塊將所有頻率的樣品聲學信號圖進行圖像融合，得到樣品多頻聲學信號融合圖像；

將樣品多頻聲學信號融合圖像進行顯示。

進一步，所述通過光電檢測系統將微懸臂探針的振動信號轉換為相應的電信號這一步驟，其包括：

光電檢測系統的雷射器發出入射光；

光電檢測系統的四象限接收器接收入射光經微懸臂探針反射後形成的反射光；

光電檢測系統的四象限接收器根據接收反射光進行光電轉換，得到與微懸臂探針的振動信號相對應的電信號。

本發明的系統的有益效果是：包括多個聲學信號源、多路信號疊加模塊、聲學換能器、掃描器、微懸臂探針、光電檢測系統、多個相干檢測解調模塊和掃描探針顯微鏡控制系統，採用了多個聲學信號源和多路信號疊加模塊來取代一個聲學信號源，能驅動聲學換能器產生多個不同頻率的聲激勵信號，解決了現有採用單一頻率的聲激勵信號的掃描探針聲學顯微鏡對樣品的局部區域檢測不靈敏和樣品內部結構的檢測存在盲區的問題，更加準確；採用多個相干檢測解調模塊來取代一個相干檢測解調模塊，並以聲學信號源的各個頻率的聲學信號作為相干檢測解調模塊的參考信號，只需一次掃描成像就可得到多種頻率的樣品聲學信號，不再需要多次掃描成像，檢測效率高，且能實時得到樣品的全部結構信息。進一步，掃描探針顯微鏡控制系統還包括聲學信號融合模塊，能配合多個相干檢測解調模塊對不同頻率的聲學信號進行實時原位同步採集，使得不同頻率的聲學信號完全對應於樣品的相同位置，克服了納米級漂移引起的錯位問題，能直接通過信號融合得到攜帶有多頻樣品聲學信號的樣品聲學融合圖像。

本發明的方法的有益效果是：包括對多個聲學信號源的多個不同頻率的聲學信號進行疊加，得到疊加後的聲學信號以及疊加後的聲學信號驅動聲學換能器對樣品產生多個不同頻率的聲激勵信號的步驟，能驅動聲學換能器產生多個不同頻率的聲激勵信號，解決了現有採用單一頻率的聲激勵信號的掃描探針聲學顯微鏡對樣品的局部區域檢測不靈敏和樣品內部結構的檢測存在盲區的問題，更加準確；包括多個相干檢測解調模塊分別以各聲學信號源的各個頻率的聲學信號作為參考信號，從光電檢測系統的電信號中解調出各個頻率的樣品聲學信號圖的步驟，採用多個相干檢測解調模塊來取代一個相干檢測解調模塊，並以聲學信號源的各個頻率的聲學信號作為相干檢測解調模塊的參考信號，只需一次掃描成像就可得到多種頻率的樣品聲學信號，不再需要多次掃描成像，檢測效率高，且能實時得到樣品的全部結構信息。進一步，還包括聲學信號融合模塊將所有頻率的樣品聲學信號圖進行圖像融合，得到樣品多頻聲學信號融合圖像的步驟，能配合多個相干檢測解調模塊對不同頻率的聲學信號進行實時原位同步採集，使得不同頻率的聲學信號完全對應於樣品的相同位置，克服了納米級漂移引起的錯位問題，能直接通過信號融合得到攜帶有多頻樣品聲學信號的樣品聲學融合圖像。

附圖說明

圖1為現有的掃描探針聲學顯微鏡系統的結構示意圖；

圖2為本發明一種多頻掃描探針聲學顯微鏡系統的結構示意圖；

圖3為本發明一種多頻掃描探針聲學顯微鏡系統的信號傳輸及處理流程示意圖；

圖4為本發明一種多頻掃描探針聲學顯微鏡系統的實現方法的整體流程圖。

具體實施方式

參照圖2和圖3，一種多頻掃描探針聲學顯微鏡系統，包括：

多個聲學信號源7，用於產生多個不同頻率的聲學信號；

多路信號疊加模塊8，用於對多個不同頻率的聲學信號進行疊加，得到疊加後的聲學信號；

聲學換能器5，用於根據疊加後的聲學信號對樣品4產生多個不同頻率的聲激勵信號；

掃描器6，用於驅動樣品4進行掃描移動；

微懸臂探針2，用於在樣品4表面接收多個不同頻率的聲激勵信號穿過樣品後形成的聲學信號，得到相應的振動信號；

光電檢測系統，用於將微懸臂探針2的振動信號轉換為相應的電信號；

多個相干檢測解調模塊9，用於分別以各所述聲學信號源的各個頻率的聲學信號作為參考信號，從光電檢測系統的電信號中解調出各個頻率的樣品聲學信號圖；

掃描探針顯微鏡控制系統，用於根據光電檢測系統的電信號得到樣品4的表面形貌圖，並將樣品4的表面形貌圖和各個頻率的樣品聲學信號圖進行同步顯示；

各所述聲學信號源7的輸出端與多路信號疊加模塊8的輸入端連接，所述多路信號疊加模塊8的輸出端與聲學換能器5的輸入端連接，所述聲學換能器5位於樣品4的底部以及掃描器6的上方，所述光電檢測系統的輸出端分別與掃描探針顯微鏡控制系統的輸入端以及各所述相干檢測解調模塊9的信號輸入端signal連接，各所述相干檢測解調模塊9的參考源輸入端ref.與各所述聲學信號源7的輸出端對應連接，各所述相干檢測解調模塊9的輸出端與掃描探針顯微鏡控制系統的輸入端連接，所述掃描探針顯微鏡控制系統的輸出端與掃描器6的輸入端連接。

參照圖2和圖3，進一步作為優選的實施方式，所述掃描探針顯微鏡控制系統包括：

低通濾波器10，用於對光電檢測系統的電信號進行低通濾波，得到濾除聲學信號後的樣品表面形貌信號；

反饋控制模塊11，用於根據濾除聲學信號後的樣品表面形貌信號得到樣品的表面形貌圖，並生成控制掃描器升降的控制信號；

多個樣品聲學信號圖顯示模塊14，用於顯示各個頻率的樣品聲學信號圖；

樣品表面形貌圖顯示模塊13，用於顯示樣品的表面形貌圖；

所述低通濾波器10的輸入端與光電檢測系統的輸出端連接，所述低通濾波器10的輸出端與反饋控制模塊11的輸入端連接，所述反饋控制模塊11的輸出端分別與樣品表面形貌圖顯示模塊13的輸入端以及掃描器6的輸入端連接，各所述聲學信號圖顯示模塊14的輸入端與各相干檢測解調模塊9的輸出端對應連接。

參照圖2和圖3，進一步作為優選的實施方式，所述掃描探針顯微鏡控制系統還包括：

聲學信號融合模塊12，用於將所有頻率的樣品聲學信號圖進行圖像融合，得到樣品多頻聲學信號融合圖像；

聲學信號融合圖像顯示模塊15，用於顯示樣品多頻聲學信號融合圖像；

所述聲學信號融合模塊12的輸入端分別與各相干檢測解調模塊9的輸出端連接，所述聲學信號融合模塊12的輸出端與聲學信號融合圖像顯示模塊15的輸入端連接。

進一步作為優選的實施方式，所述反饋控制模塊由cpu、dsp或fpga及外圍電路組成，所述多路信號疊加模塊或聲學信號融合模塊為由運算放大器、電阻和電容構成的加法電路。

其中，反饋控制模塊以高性能中央處理器(cpu，centralprocessingunit)、數位訊號處理器(digitalsignalprocessing，dsp)或現場可編程門陣列(field-programmablegatearray，fpga)為核心，配合數模轉換電路等外圍電路，實現了信號的輸入輸出控制。

參照圖2和圖3，進一步作為優選的實施方式，所述光電檢測系統包括：

雷射器1，用於發出入射光；

四象限接收器3，用於接收入射光經微懸臂探針2反射後形成的反射光；

所述四象限接收器3的輸出端分別與掃描探針顯微鏡控制系統的輸入端以及各所述相干檢測解調模塊9的信號輸入端signal連接。

參照圖4，一種多頻掃描探針聲學顯微鏡系統的實現方法，包括以下步驟：

對多個聲學信號源的多個不同頻率的聲學信號進行疊加，得到疊加後的聲學信號；

疊加後的聲學信號驅動聲學換能器對樣品產生多個不同頻率的聲激勵信號；

微懸臂探針對樣品進行掃描，接收多個不同頻率的聲激勵信號穿過樣品後形成的聲學信號，得到相應的振動信號；

通過光電檢測系統將微懸臂探針的振動信號轉換為相應的電信號；

多個相干檢測解調模塊分別以各聲學信號源的各個頻率的聲學信號作為參考信號，從光電檢測系統的電信號中解調出各個頻率的樣品聲學信號圖；

掃描探針顯微鏡控制系統根據光電檢測系統的電信號得到樣品的表面形貌圖，並將樣品的表面形貌圖和各個頻率的樣品聲學信號圖進行同步顯示。

進一步作為優選的實施方式，所述微懸臂探針對樣品進行掃描，接收多個不同頻率的聲激勵信號穿過樣品後形成的聲學信號，得到相應的振動信號這一步驟，其包括：

聲學換能器產生的多個不同頻率的聲激勵信號穿過樣品，形成相應的聲學信號；

微懸臂探針在樣品表面進行逐點掃描，接收多個不同頻率的聲激勵信號穿過樣品後形成的聲學信號，得到微懸臂探針懸臂梁的振動信號，所述微懸臂探針懸臂梁的振動信號包括樣品表面形貌起伏引起的低頻振動信號和聲學信號引起的高頻振動信號，所述聲學信號引起的高頻振動信號包含了分別與多個不同頻率的聲激勵信號穿過樣品後形成的聲學信號的頻率相同的振動。

進一步作為優選的實施方式，所述掃描探針顯微鏡控制系統根據光電檢測系統的電信號得到樣品的表面形貌圖，並將樣品的表面形貌圖和各個頻率的樣品聲學信號圖進行同步顯示這一步驟，其包括：

對光電檢測系統的電信號進行低通濾波，得到濾除聲學信號後的樣品表面形貌信號；

反饋控制模塊根據濾除聲學信號後的樣品表面形貌信號得到樣品的表面形貌圖，並生成控制掃描器升降的控制信號；

將樣品的表面形貌圖和各個頻率的樣品聲學信號圖進行同步顯示。

進一步作為優選的實施方式，所述掃描探針顯微鏡控制系統根據光電檢測系統的電信號得到樣品的表面形貌圖，並將樣品的表面形貌圖和各個頻率的樣品聲學信號圖進行同步顯示這一步驟，還包括：

聲學信號融合模塊將所有頻率的樣品聲學信號圖進行圖像融合，得到樣品多頻聲學信號融合圖像；

將樣品多頻聲學信號融合圖像進行顯示。

進一步作為優選的實施方式，所述通過光電檢測系統將微懸臂探針的振動信號轉換為相應的電信號這一步驟，其包括：

光電檢測系統的雷射器發出入射光；

光電檢測系統的四象限接收器接收入射光經微懸臂探針反射後形成的反射光；

光電檢測系統的四象限接收器根據接收反射光進行光電轉換，得到與微懸臂探針的振動信號相對應的電信號。

下面結合說明書附圖和具體實施例對本發明作進一步解釋和說明。

實施例一

針對現有的掃描探針聲學顯微鏡不夠準確、效率低和實時性較差的問題，本發明公開了一種新的多頻掃描探針聲學顯微鏡系統及其實現方法。本發明採用多個聲學信號源來產生頻率各不相同的信號，經多路信號疊加器進行相加後，驅動聲學換能器在樣品底部對樣品進行多種頻率的聲學激勵，然後利用微懸臂探針在樣品表面接收後，採用多個獨立的相干檢測解調通道分別對每個頻率的聲學信號進行相干檢測解調，同步獲得對應於每個不同頻率的聲學激勵源的聲學圖像並進行實時顯示，與現有單一頻率的聲激勵信號的掃描探針聲學顯微鏡相比，不但可以解決對樣品的某些局部不靈敏和存在檢測盲區的問題，而且一次掃描成像就可得到多種頻率的聲學信號，極大提高了樣品實際測試的效率。此外，本發明不同頻率的聲學信號是實時原位同步採集的，其對應於樣品上的位置也嚴格一致，不存在「探針-樣品」體系納米級漂移引起的錯位，故可直接將解調後不同頻率的多路樣品聲學信號進行信號融合，得到攜帶有多頻聲學信號的樣品聲學融合圖像。

如圖2所示，本發明的顯微鏡系統主要包括雷射器1、微懸臂探針2、四象限接收器3、樣品4、聲學換能器5、掃描器6、多個聲學信號源7、多路信號疊加模塊8、多個相干檢測解調模塊9，低通濾波器10、反饋控制模塊11、聲學信號融合模塊12、樣品表面形貌圖顯示模塊13、聲學信號圖顯示模塊14和聲學信號融合圖像顯示模塊15。

從圖2可知，與現有的掃描探針聲學顯微鏡結構相比，本發明的多頻掃描探針聲學顯微鏡具有n(n≥2)個獨立的聲學信號源，獨立分別產生頻率為f1到fn的聲學信號，且fi≠fj(i≠j，1≤i≤n，1≤j≤n)，這些信號輸入到多路信號疊加模塊8進行疊加後，驅動樣品4底部的聲學換能器5對樣品4產生n個特定頻率的聲激勵信號。這n個不同頻率聲激勵信號的聲波穿過聲學換能器5與樣品4的邊界，在樣品4內進行傳播，到達樣品4表面後，由微懸臂探針2在樣品4表面逐點掃描，並通過「探針-樣品」耦合體系進行接收，轉變為微懸臂探針2懸臂梁的對應振動，也就是說，微懸臂探針2對樣品4進行掃描的過程中，懸臂梁的振動包含了兩種振動信號：1、樣品4表面形貌起伏引起的振動信號，為低頻信號(其頻率＜1khz)，強度較大且與樣品4表面起伏的高度差相關；2、聲學信號引起的探針振動信號，為高頻信號，該高頻信號包含了分別與多個聲激勵信號源頻率(一般＞10khz)相同的振動，這些振動的強度相對較弱且與樣品內部結構相關。而由低通濾波器10、反饋控制模塊11、聲學信號融合模塊12、樣品表面形貌圖顯示模塊13、聲學信號圖顯示模塊14和聲學信號融合圖像顯示模塊15組成的掃描探針顯微鏡控制系統在控制微懸臂探針2在平面掃描運動的同時，通過檢測因樣品4表面起伏引起的探針懸臂梁的上下彎曲變形(即懸臂梁的低頻振動)來驅動掃描器6升降，以抵消樣品4的表面起伏，得到樣品4的表面形貌。微懸臂探針2懸臂梁的機械振動由雷射器1和四象限接收器3構成的光電檢測系統轉換為電信號，該電信號一路通過低通濾波器濾除相對高頻的聲學信號後輸入到反饋控制模塊11，實現「探針-樣品」體系的穩定控制，並得到樣品4的表面形貌圖；另一路輸入到與各個聲學信號源7對應的相干檢測解調模塊9，每個相干檢測解調模塊9以各自的聲學信號源7為參考信號，對輸入電信號進行解調得到對應於該頻率的樣品聲學信號圖，並與樣品形貌圖同步顯示。

如背景部分所述，樣品材料及結構(包括缺陷)的不均勻性導致現有的掃描探針顯微鏡對不同頻率的聲學信號在檢測靈敏度和檢測盲區上存在差異，其在某一頻率的聲學圖像中遺漏的樣品信息，可能在另一頻率的聲學圖像中得到，因此，本發明通過針對不同頻率信號的相干檢測解調獲得的多路不同頻率的樣品聲學信號進行綜合分析，可以獲得樣品更為全面的信息。

而本發明不同頻率的聲學信號是實時原位同步採集(即同時輸入到多路信號疊加模塊8和相干檢測解調模塊9中)的，其對應於樣品4上的位置也嚴格一致，故該顯微鏡系統將解調後不同頻率的多路樣品聲學信號經聲學信號融合模塊12進行在線信號融合後，得到攜帶有多頻聲學信號的樣品多頻聲學信號融合圖像，並實時顯示，極大方便了樣品測試者。

本發明多頻掃描探針聲學顯微鏡系統的信號傳輸及處理流程圖如圖3所示。圖3中，16為四象限接收器3輸出的電信號，17為微懸臂探針2因樣品4表面起伏引起的振動信號，18、19和20分別為頻率f1、f2和fn對應的相干檢測解調模塊，21、22和23分別為相干檢測解調模塊18、19和20對應(即頻率f1、f2和fn對應)的樣品聲學信號圖，24為頻率f1至fn對應的這n個樣品聲學信號圖融合後得到的樣品聲學信號融合圖像。

由圖3可見，多個不同頻率(f1～fn)的聲學信號同時從樣品4的底部進入並在樣品4內傳輸，到達樣品4的表面後，由在表面掃描的微懸臂探針2接收，轉變為微懸臂探針2懸臂梁的對應振動，經四象限接收器3轉變成電信號(該電信號在樣品表面形貌信號中疊加有相對高頻的聲學信號，如圖3中的信號16所示)，該電信號一路經低通濾波器10濾除聲學信號後得到如圖3所示的信號17，輸入到反饋控制模塊11中得出樣品4的表面形貌圖；另一路輸入到與各個聲學信號源對應的相干檢測解調模塊18、19和20，進行解調得到對應於該激勵頻率的樣品聲學信號圖21、22和23，不同頻率的樣品聲學信號經聲學信號融合模塊12進行信號融合後，得到攜帶有多頻聲學信號的樣品聲學融合圖像24。

在本發明的多頻掃描探針聲學顯微鏡系統中，理論上，聲學信號源的頻率越多，防止聲學圖像中樣品信息的遺漏就越有效。但是，過多頻率的聲學信號源會增加系統的複雜度和成本，而且現有的部分掃描探針顯微鏡也可能沒有足夠的預留通道來處理過多的聲學信號，因此聲學信號源的頻率以2～4個為宜。

多頻掃描探針聲學顯微鏡系統中，信號疊加、相干檢測解調和信號融合是重要的組成部分，也承擔了該系統的主要功能，以下以具有三個頻率聲學信號源的掃描探針聲學顯微鏡為例分別對這三個模塊進行說明：

1)多路信號疊加模塊

多路信號疊加模塊的功能就是將3個聲學信號源輸出的不同頻率的聲學信號進行線性疊加。

其中，3個聲學信號源輸出分別表示為：

其中，ai為信號輸出源振幅(i＝1、2、3)，fi為信號源頻率，為信號源初始相位角，且有：

f1≠f2≠f3(4)

則多路信號疊加模塊的輸出為：

由式(4)可知，由於3個聲學信號源的頻率各不相同，故其初始相位角可以不予考慮，即式(5)可簡化為：

so＝a1·sin2πf1t+a2·sin2πf2t+a3·sin2πf3t(6)

2)相干檢測解調模塊

假設表達式為式(6)的聲學激勵信號從樣品底部進入樣品並在樣品內傳輸，由於樣品內部的不均勻性，到達樣品表面的不同位置，其聲學信號各不相同，該聲學信號由微懸臂探針逐點接收後，輸入相應的相干檢測解調模塊解調出特定信號源產生的聲學信號。

聲學信號到達表面某個特定點接收到的信號可表達為：

si＝a1k1·sin(2πf1t+θ1)+a2k2·sin(2πf2t+θ2)+a3k3·sin(2πf3t+θ3)(7)

其中，ki為聲學信號到該特定點的傳遞係數，θi為聲學信號傳遞到該特定點的相位差。ki和θi均攜帶了樣品的內部結構信息，其隨樣品表面位置的變化構成了每個頻率的聲學圖像，故ki和θi為相干檢測解調模塊所要定量解調和檢測的參數。

相干檢測解調模塊的基本原理是以聲學信號源的信號為參考信號，在微懸臂探針接收到的信號(簡稱接收信號)中，利用電信號與激勵源的相關性，濾除其他無關信號，將當中對應於該聲學信號源信號的相應聲學信號檢測出來。相干檢測解調模塊可通過接收信號和參考信號的乘法運算和積分運算來實現，詳細說明如下：

以頻率為f1的聲學信號通道為例，將式(7)的接收信號分別與信號源1的參考信號sin2πf1t和正交參考信號相乘，並對時間t積分，可得到該通道信號的x分量s1x：

從上式的推導過程中可以看出，以信號源1為參考信號，經過乘法運算後，可以得到一個和信號源1的振幅a1、傳遞係數k1及相位差θ1相關的直流部分，以及分別與3個信號源頻率相關的5個交流部分(頻率分別為2f1、│f1-f2│、f2+f1、│f3-f1│、f3+f1)，而對時間進行積分運算時，隨著積分時間的增加，交流部分趨於0。而在實際系統中，檢測及信號採集均有時效性，故積分時間不可能是無窮大，但只要積分時間足夠大，交流部分完全可以有效抑制，故有：

同樣地，由下式(9)：

可以推導出該通道信號的的y分量s1y：

由式(8)和(10)，可以得到：

由式(11)和(12)可知，相干檢測解調模塊實際是在微懸臂探針對樣品掃描過程中，逐點完成乘法和積分運算得到x和y分量sx和sy後，求得其聲學傳遞係數k和相位θ，從而獲得聲學信號圖。通常，相干檢測解調模塊得到的聲學信號圖既指聲學信號振幅(ak，即聲激勵源振幅a和傳遞係數k的乘積)的樣品表面二維分布圖，也指聲學信號相位θ的樣品表面二維分布圖。

3)聲學信號融合模塊

對於多頻掃描探針聲學顯微鏡，如2)中所述，每個頻率的聲學激勵都可得到2個聲學圖像(ak和θ)，以具有三個頻率聲學信號源的掃描探針聲學顯微鏡為例，對樣品進行檢測時，其每次掃描均可得到7幅圖像：樣品表面形貌、3個頻率對應的3聲學信號振幅圖，以及3個頻率對應的3聲學信號相位圖。在實際檢測中，用戶同時監控這麼多幅聲學圖像非常麻煩。聲學信號融合模塊的功能就是將多幅聲學信號振幅圖和多幅聲學信號相位圖分別進行信號融合，得到1幅聲學信號振幅融合圖和1幅聲學信號相位融合圖，方便用戶對檢測結果進行實時判斷分析，提高系統的實用性。

聲學信號融合模塊可通過多種模型實現多路信號融合的功能，其最具代表性的線性疊加信號融合模型表達式為：

或者：

在式(13)、(14)和(15)中，n為需要進行融合的信號通道數，ki和θi為第i通道的聲學信號傳遞係數和相位，k∑(或ak∑)和/或θ∑為融合後的聲學信號傳遞係數(或振幅)和/或相位。

綜上所述，本發明一種多頻掃描探針聲學顯微鏡系統及其實現方法，既可同步獲得對應於不同頻率激勵源的聲學圖像，也可實時得到多路聲學的融合信號圖像，與現有採用單一頻率的聲激勵信號的掃描探針聲學顯微鏡相比，不但可以解決其對樣品的某些局部不靈敏和存在檢測盲區的問題，而且能有效克服「探針-樣品」體系漂移引起的錯位，一次掃描成像就可得到多種頻率的聲學信號，極大提高了樣品實際測試的效率，具有明顯的技術優勢和很高的實用價值。

以上是對本發明的較佳實施進行了具體說明，但本發明並不限於所述實施例，熟悉本領域的技術人員在不違背本發明精神的前提下還可做作出種種的等同變形或替換，這些等同的變形或替換均包含在本申請權利要求所限定的範圍內。