原子力顯微鏡(AFM)是材料科學中最重要的工具之一，用於機械掃描表面形貌。AFM能夠測算奈米探針和原子表面的相互作用力，解析度僅為幾分之一奈米。目前，澳大利亞紐卡斯爾大學正在對這些複雜的裝置進行改進和簡化，以拓展原子力顯微鏡在全球實驗室的廣泛應用。在這項研究中，一款高精度的8通道Spectrum digitizerNETBOX推動了AFM專案的發展。

首臺原子力顯微鏡(AFM)於1985年研發成功，此後便成為全球實驗室研究表面化學的重要工具。AFM的解析度是傳統光學顯微鏡的1000倍，其卓越的解析度能夠顯示更多的細節。與電子顯微鏡和其它先進的系統不同，AFM不僅能夠進行原位成像，還擁有形貌成像和力測量的功能，使其非常適合軟生物材料、聚合物、奈米結構和各種其它材料的研究。

Ruppert博士改良的懸臂

紐卡斯爾大學對AFM系統的關鍵元素進行了研究，旨在簡化操作的同時，提升這些顯微鏡的整體效能。該大學電氣工程和計算機學院的精密機電一體化實驗室彙集了納米技術、機電一體化、微機電系統(MEMS)和低噪聲電子設計方面的專業知識，並創造了用於簡化AFM複雜性和降低成本的獨特解決方案。

傳統多頻原子力顯微鏡實驗的原理圖：當奈米定位器掃描樣品時，懸臂在多個共振頻率下同時振動

AFM通常透過懸臂或探針掃描樣品表面生成形貌影象。隨後，透過鐳射束和位敏光電二極體探測器來確定懸臂偏轉的微小變化。透過採集和分析探測器發出的訊號來確定樣品表面的拓撲高度變化，進而建立三維形貌。

該儀器的核心是一個微懸臂，與樣品相互作用併為測量奈米力學效能提供“物理鏈路”。儘管懸臂微加工技術多年來不斷改進，其整體的設計並未發生太大變化，因此，被動式矩形懸臂現已被業界作為標準廣泛使用。傳統的懸臂式儀器需要外部的壓電聲感測器和外部的光學偏轉感測器。對於多頻率的AFM技術發展趨勢而言，這兩種元件的表現都不理想，因為多頻率AFM技術的成像資訊還可以擴充套件到樣品硬度、彈性和粘附性等在內的一系列奈米力學效能。相比之下,活躍的懸臂與晶片級整合驅動和感測器提供了很多傳統懸臂所不具備的優勢，其中包括沒有安裝系統的結構模式、縮小比例、微控制器AFM、並行懸臂陣列以及無光波干涉。

Michael Ruppert博士正在對原子力顯微鏡中的自定義懸臂進行改良

Ruppert博士及其同事近期發表了多篇論文，提出了用於提升AFM效能、簡化操作以及降低裝置成本的整合懸臂解決方案。論文討論的主題包括最佳化偏轉靈敏度的創新懸臂設計，實現任意共振頻率佈局並能夠整合強大的多模式Q控制。在與德克薩斯大學達拉斯分校的合作中，Ruppert博士還聯合開發了首個矽絕緣體、單晶片的微機電系統AFM，其特點是將平面靜電激發器與電熱感測器整合，以及將用於面外驅動的AIN壓電層與偏轉感測整合。該方法對於顯著降低AFM成本，簡化操作複雜性以及擴大產品應用範圍方面顯示出了巨大的潛力。

該型別的研究依賴於高精度的測量裝置從整合的微懸臂中獲取和分析感測器訊號。透過確定振幅噪聲頻譜密度，可以得到懸臂系統諧振時的熱噪聲、懸臂跟蹤頻寬和儀器的電子噪聲底值等重要引數。為此，研究小組使用了Spectrum 儀器公司生產的DN2.593-08 digitizerNETBOX型號。該裝置有8個完全同步的數字化通道，每個通道都能以16位解析度和40MS/s的速率取樣訊號。為了實現控制和資料傳輸，digtizerNETBOX還透過一個簡單的Gbit乙太網連線與主機連線。

DN2.593-08 digtizerNETBOX能夠在40MS/s和16位解析度下實現8個同步通道的取樣

研究人員Michael Ruppert博士表示:“digitizerNETBOX是精密機電一體化實驗室的重要測量工具。這款裝置能夠在多個整合感測器領域的低噪聲測試下同時產生高解析度，以滿足我們系統性能的需求。”