如上所述，本文所公开的本发明是一种用于AFM和其它基于悬臂 的仪器的控制器，其在控制器中的关键部位使用数字电子电路从而可 以改进性能并提高灵活性。我们也包括了基于混合模拟/电子装置的改 进的信号路由能力，从而大大提高了仪器的灵活性。这种新的结构能 够具有和以往的AFM控制器完全一样的全部功能，也能具有大量的新 功能，这些新功能在以前用模拟电路是不可能实现的。
不经过改动，所公开的控制器不能和如下的AFM一起使用，该 AFM使用压电管扫描装置使尖端在试样上进行光栅扫描，同时检测悬 臂偏转或振动并校正悬臂基座的垂直位置。这包括前面已经讨论过的 在美国专利Re 34,489和美国专利5,025,658中公开的AFM。所公开的 控制器可以与发明人的共同等决的申请10/016,475中公开的AFM或类 似结构的AFM一起使用。所公开的控制器也便于使用来自上述申请中 公开的那类LVDT的反馈，从而更精确地控制AFM的操作。
图4所示为这个新控制器的基本示意图。所公开的控制器的三个 主要元件在提供数字方案方面特别重要，从而提高性能。这些元件是 现场可编程门阵列(FPGA)31、数字信号处理器(DSP)32和交叉点 接线器33。下面将会分开讨论这些元件中的每一个。
图4的剩余部分包括到AFM的连接(“电缆到显微镜”)、到计算 机接口的连接(“USB到PC”)、允许用户对不同控制器功能进行输入 的各种BNC(同轴电缆接插件)和三个高压放大器(“HV Amp”)，这 三个高压放大器用来将模拟驱动信号传递到x-y扫描装置和控制悬臂z 位置的压电元件。如所示的那样，所示的被公开的控制器图是通过编 程进行振动模式的成像。这意味着作为一个教育结构(pedagogical construction)，其它大量的设置都易于进行编程。在这个实例中，来自 PSD(未示出)的模拟悬臂偏转信号(图4左上角处的“From Cantilever Deflection”)经过高通滤波以去除任何直流信号，并被供给到交叉点接 线器33左侧的输入端口4(“ACDefl”)，通过该交叉点接线器接到接 线器右侧的输出端口2(“InFast”)，而且从那里经由模拟反失真滤波器 34到达高速(16bit，5MHz)模数转换器35。经过该模数转换器的转 换，信号链中的每个部分都是以纯数字的方式计算的，因此信号幅度 和相位值实质上是理想的。这样，除了某些被滤波除去的信号部分没 有用于数字计算过程的数值外，偏转信号被检测到后就直接被数字化 并被供给到FPGA 31，在这里它以数字的方式进行混频或乘法操作， 方式类似于模拟两相锁定放大器(图3)。经过混频后，将得到的两个 数字信号以数字方式进行低通滤波，并送至DSP，在这里同相分量和 正交分量被转化成幅度和相位。幅度用于数字反馈计算。该计算的结 果被送至数模转换器，经过放大后，模拟信号使控制悬臂z位置的压 电元件沿合适的方向移动。除了与混频数字化的偏转信号相关的功能 (等同于上面两相锁定放大器的描述部分已经描述过的)外，构成 FPGA 31部分的直接数字合成器也用来产生信号移控制悬臂的振动。 该信号被送至数模转换器、低通滤波并供给到交叉点接线器左侧的输 入端口15(“DDS”)，通过该接线器该信号被接到接线器右侧的输出端 口15(“Shake”)。从那里该信号被送至“Shake”压电元件38，其以 物理方式实现振动。
虽然图4中没有示出，但所公开的控制器使用了自动配置，该自 动配置使用了多点总线(multidrop bus)，使用的技术是本领域普通技 术人员公知的。多点总线使得硬件器件的序列号、器件参数和特征能 够被永久记录。当器件被插入或拔出互连板或控制器时，该总线允许 这些器件能够被自动检测到并使合适的参数在软件内更新。多点总线 也支持器件中集成的传感器。从而能够执行器件参数的温度降级 (temperature derating)。温度传感器也可以用于故障检测。
现场可编程门阵列
FPGA是一种可编程的硬件，其由逻辑块阵列和逻辑块之间的相互 连接组成。逻辑块和其间的相互连接都可以动态地配置或再配置以执 行大量的低级或高级硬件功能。另外，它可以被动态地配置或再配置 以同时(并行地)执行很多任务。因为这种内在的并行性，FPGA可以 比常用的微处理器或DSP的计算快数百倍或数千倍。
将FPGA与DSP比较就可以看出FPGA的速度和能力。DSP运行 如何良好的基准就是在一秒种内其能执行的乘法运算的数目。当前的 DSP所具有的时钟频率是100MHz的数量级。如果在单个时钟周期内 执行单个计算，这就意味着这样的DSP每秒种最多能执行大约一百万 次的计算。因为乘法对于FPGA而言是一项容易执行的任务，通常的 FPGA能够被配置成，例如，在同样的时钟周期内执行100次乘法。这 种通常的FPGA因此至少比通常的DSP快100倍。它可以每秒种执行 10,000,000,000次乘法，而通常的DSP只能执行100,000,000次。FPGA 可以同时执行许多任务的能力使其成为一种有力而独特的工具而设置 在AFM控制器的信号处理链中。对于一种完全数字的只使用DSP(或 者甚至为此使用多个DSP)的AFM控制器而言，实施数字双相锁定、 DDS、若干滤波链和其它所需的每个器件是极度困难的，而这里描述 的包括FPGA的控制器已经说明了这点。
图5示出了FPGA 31所实施的功能，该FPGA构成所公开的控制 器的一部分。这些包括数字双相锁定、直接数字合成器(DDS)27和 各种数字滤波器41，其中该直接数字合成器产生具有用户可选择的频 率的正弦波。在需要的时候，这些功能中的每个都可以被动态地再配 置。
如图5所示以及上文所提到过的，FPGA实施完全数字的锁定。这 种锁定类似与上面描述的模拟两相锁定放大器(图3)。然而，这里图 3中不可靠的模拟乘法器24被数字混频器或乘法器40取代，从而不受 模拟乘法器中存在的温度、频率和渗通效应的影响，将这些作为误差 源清除以提供高保真输出信号。同时也注意到，如上述的那样，因为 整个锁定是数字的而且是被软件描述的，因此它的任何方面都可以通 过简单地对FPGA进行重新编程而升级或改变。这包括完全改变检测 机制。例如，对于那些要求悬臂的幅度基于每个周期来计算的那些实 验(例如快速AC或间歇接触模式)，FPGA内的植入的锁定程序可以 被峰值检波器程序取代，完全不需要改变或加入控制器硬件。
所公开的控制器中所有信号链的所有方面都涉及FPGA。因此，在 控制器寿命的正常进程中，对任何信号处理硬件所作的任何改动、解 决故障、新的特征等都可以通过简单的程序改变就可以实现。
数字信号处理器 如其它扫描探测显微镜的情形那样，构成部分所 公开的控制器的DSP 32位于控制器自身的内部而不是位于接口计算机 的内部。这种设计简化了DSP和辅助器件例如FPGA、ADC、DAC和 交叉点接线器之间的数据传递。因为DSP位于控制器内，所以可以在 控制器和计算机之间使用标准的接口。在优选实施例中，使用了USB 接口。这种设置也便于协调FPGA和DSP之间的任务。总之，DSP比 FPGA更便于编程，而FPGA显著更快。
DSP 32的功能如图6所示。
交叉点接线器
如其它扫描探测显微镜的情形那样，构成部分所公开的控制器的 交叉点接线器33和DSP一样位于控制器自身的内部而不是位于接口计 算机的内部，或者位于另一个物理上分开的容器内。如DSP那样，这 种设计减化了交叉点接线器和辅助器件例如FPGA、ADC、DAC和DSP 之间的数据传递。
交叉点接线器33的功能如图7所示。交叉点接线器33作为电话 交换机用于所公开的控制器内的大部分输入和输出信号。使用软件指 令，交叉点接线器允许用户可以选择信号路径，使其到达合适的硬件 部分。因为这种有力的信号路由灵活性，可以形成虚拟意义上无限的 控制器布局配置，而不用额外的物理布线。另外，如前面讨论的那样， 所有的信号可以方便地通过便于使用的面板上的BNC来获取。
在这个优选实施例中，交叉点接线器包括16个输入端口和16个 输出端口。交叉点接线器左侧的输入端口包括几个专用于用户的(6In0， 7ln1和8ln2)或者预留为将来使用的端口(11Pogoln0，12Pogoln1， 13NotUsed1和14NotUsed2)。交叉点接线器右侧的输出端口也是同样 的情形：(10Out0，11Out1，12Out2，13PogoOut和14Chip)。
所公开的控制器使得AFM或其它基于悬臂的仪器能够这样操作， 即使用有发明者或他人开发的低级指令使控制器连接到高级软件控制 语言，包括Igor Pro，MATLAB，LabView和Visual Basic。这使得该仪器 可以影响大量已经存在的程序和控制，从而快速开发和形成新的程序， 例如对试样的毫微光刻和毫微操作、对图像的自动弹簧校准和生成， 这些仅仅是由计算机的存储器(例如，4096 x 4096象素)限制的。另外， 高级软件控制便于用户测量、数据分析、和生成发表质量图形 (publication quality figure)。比较于专有的AFM软件而言，这是一个 显著的优点，如果使用专有的AFM软件，制造商就会被迫复制AFM 软件中的所有的这些特征、或者是用户被迫去运行不只一个软件包来 完成他或她所有的要求。
鼠标驱动的毫微光刻和操作
下面是操作和光刻实验的一个小的收集(collection)，这些实验 是使用MFP-3D进行的。这个收集的每个部分都是使用MicroAngeloTM 接口来完成的。大多数操作程序是从初始的参考图像开始的。这之后 是相同的图像，该图像具有一组画在其上的曲线。这些表示在光刻/操 作阶段中悬臂尖端的按程序进行的运动。这之后是“响应”图像，表 示光刻的效果。这个过程可以重复，在摹写情况下可以重复多次。除 了简单的手画曲线和直线外，MicroAngeloTM可以产生数学定义的曲线 和阵列。某些这样的实例在段末给出。除了到处移动悬臂尖端， MicroAngelo也可以在光刻/操作的过程中进行测量。实例包括监视悬 臂高度、幅度、偏转、相位、电流或任何其它数据通道包括外部信号。
图8A和图8B所示为操作示范，碳纳米管的两个图像都是以AC/ 排斥的模式进行的，幅度大约为100纳米。在两个图像中都可以看到 原子步骤。灰度为15纳米，扫描尺寸为1.45微米。图8A所示为初始 图像，伴随着用MicroAngeloTM接口画出的亮线痕迹。图像完成后，悬 臂尖端就沿着图8A中的亮痕迹移动。随着悬臂沿着亮轨迹，标准加载 力设为90纳牛(nN)。悬臂尖端的标准速度是1微米/秒。图8B所示 为碳纳米管的运动结果。图像左下侧的管部分与图像右上部分的管部 分被分开了。
图9A所示为由外部软件产生的图像。MicroAngelo接口使得悬臂 能够描出这个图案的边界。然后使用Olympus AC240的悬臂和大约200 纳牛的加载点，就可以将该边界描到勒克森聚碳酸酯(Lexan polycarbonate)的表面上。光刻后，以AC/排斥模式、100纳米的幅度 来进行成像。得到的图像如图9B所示。明显地，AFM尖端改变了表 面，复制除了图9A的原始图像的边界。
这种控制器的构造具有转动的编码器和可编程的按钮开关。从而 使得能够用“旋钮(knob)”来操作控制参数，而不是用标准计算机键 盘或鼠标输入。
本发明所描述的实施例只是优选的，并用来说明发明概念。本发 明的范围不会被这些实施例限制。在不脱离本发明精神和范围的前提 下，本领域普通技术人员可以想到许多其它的设置方案。
发明背景和概述