一、概 述
納米科技是二十一世紀(jì)影響人類的關(guān)鍵技術(shù)。掃描探針顯微鏡（SPM）是納米結(jié)構(gòu)的檢測(cè)和評(píng)估的
必備工具。
由于納米科技的高速發(fā)展，作為納米級(jí)檢測(cè)的常規(guī)手段的SPM類儀器種類繁多，目前已經(jīng)有20幾
個(gè)種類，分別應(yīng)用于不同的納米技術(shù)研究領(lǐng)域，而且還不斷會(huì)有更多種類的SPM出現(xiàn)。如果由一個(gè)公司
或機(jī)構(gòu)開發(fā)出所有種類的SPM是不現(xiàn)實(shí)的，因?yàn)槿魏我环NSPM除去其特性以外，又包括了電子、計(jì)算
機(jī)軟硬件、機(jī)械、光學(xué)等很多知識(shí)。要完全掌握這些知識(shí)或組織掌握這些知識(shí)的人才在目前來說是
非常困難的。因此，國(guó)內(nèi)外只有為數(shù)不多的二十幾家企業(yè)可以生產(chǎn)SPM儀器，而且種類都不全。
掃描探針顯微鏡通用平臺(tái)是一套模塊化的軟硬件開發(fā)平臺(tái)工具系統(tǒng)，適用于由用戶組裝或合作開發(fā)
特殊功能的SPM儀器，以及其它納米測(cè)量?jī)x器、掃描設(shè)備。提供了一種開發(fā)生產(chǎn)SPM儀器的新的思路和方
法，其是將SPM儀器分解成兩個(gè)大部分，即：SPM通用平臺(tái)和特征部分。通用平臺(tái)包括幾個(gè)獨(dú)立的模
塊，囊括各種SPM儀器所共有的功能；特征部分包括各種SPM探針結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的信號(hào)前置放大器，是各種
SPM所特有的功能部分。通用平臺(tái)與特征部分之間有標(biāo)準(zhǔn)接口和擴(kuò)展接口。根據(jù)不同種類的SPM，在通用
平臺(tái)上搭配不同的特征部分，或者由用戶按照公開的標(biāo)準(zhǔn)接口和擴(kuò)展接口定義，自己開發(fā)所需的特征部
分。如此，就可以迅速開發(fā)出各種SPM。
　
二、掃描探針顯微鏡(SPM)通用平臺(tái)基本原理、構(gòu)成及其功能擴(kuò)展
（一）SPM通用平臺(tái)的基本原理
掃描探針顯微鏡(SPM)的工作原理是基于微觀或介觀范圍的各種物理特性，通過原子線度的極細(xì)探
針在被研究物質(zhì)的表面上方掃描時(shí)檢測(cè)兩者之間的相互作用，以得到被研究物質(zhì)的表面特性。
不同類型的SPM之間的主要區(qū)別在于它們的針尖特性及其相應(yīng)的針尖-樣品相互作用方式的不同，以及相應(yīng)的前置信號(hào)處理/放大電路。根據(jù)這一點(diǎn)，我們?cè)O(shè)計(jì)了SPM通用平臺(tái)，其是將SPM儀器分解成兩個(gè)大部分，即：SPM通用平臺(tái)和特征部分。通用平臺(tái)包括：掃描驅(qū)動(dòng)電路/器件/軟件，反饋控制電路/軟件，馬達(dá)粗調(diào)定位電路/器件/軟件，環(huán)境減震機(jī)構(gòu)，AD/DA轉(zhuǎn)換、DIO等計(jì)算機(jī)接口，一些通用的圖象處理軟件，是各種SPM儀器所共有的特性；特征部分包括各種SPM探針結(jié)構(gòu)、相應(yīng)的信號(hào)前置放大器及相應(yīng)的軟件控制模型。將通用平臺(tái)劃分成幾個(gè)獨(dú)立的模塊，模塊之間有標(biāo)準(zhǔn)接口，通用平臺(tái)與特征部分之間也有標(biāo)準(zhǔn)接口和擴(kuò)展接口，并且開放這些接口的定義。這樣就構(gòu)成了SPM儀器的通用平臺(tái)。根據(jù)不同種類的SPM，搭配不同的特征部分，或者由用戶按照公開的標(biāo)準(zhǔn)接口和擴(kuò)展接口定義，自己開發(fā)所需的特征部分。如此，就可以迅速開發(fā)出各種SPM以及要求納米量級(jí)加工和定位移動(dòng)的設(shè)備，產(chǎn)生大量我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的SPM儀器，以擺脫由于國(guó)產(chǎn)儀器功能/種類不全而必須進(jìn)口外國(guó)儀器的局面。
由于SPM通用平臺(tái)規(guī)范的模塊化設(shè)計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)的接口版本定義和軟件的用戶級(jí)開發(fā)模板和程序封裝技術(shù)，使得SPM儀器也可以像PC機(jī)一樣，擁有很強(qiáng)的兼容性，各種類間的升級(jí)換代，新功能的二次開發(fā)，軟件的資源共享都可以像PC機(jī)一樣方便。這些好處已經(jīng)在我公司的產(chǎn)品系列中得到了驗(yàn)證。
　
（二）SPM通用平臺(tái)的基本構(gòu)成
SPM通用平臺(tái)由掃描驅(qū)動(dòng)電路/器件/軟件，反饋控制電路/軟件，馬達(dá)粗調(diào)定位電路/器件/軟件，環(huán)境減震機(jī)構(gòu)，AD/DA轉(zhuǎn)換、DIO等計(jì)算機(jī)接口，一些通用的圖象處理軟件七部分組成。
　
（三）SPM通用平臺(tái)的功能擴(kuò)展
SPM通用平臺(tái)的特點(diǎn)就是為SPM家族中眾多種類儀器的開發(fā)提供了一個(gè)高、開放接口、便于升級(jí)和擴(kuò)展的軟硬件基礎(chǔ)。
在SPM通用平臺(tái)上進(jìn)行功能擴(kuò)展有三種方法。
一是選購(gòu)現(xiàn)有的功能模塊進(jìn)行組裝，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品升級(jí)換代；
二是針對(duì)一些特殊應(yīng)用的SPM，由用戶按照公開的標(biāo)準(zhǔn)接口和擴(kuò)展接口定義，以及軟件開發(fā)模
板，自己開發(fā)所需的特征功能部分，裝載到SPM通用平臺(tái)上；
三是軟件功能擴(kuò)展，我們所有的軟件都是模塊化設(shè)計(jì)，當(dāng)有新的功能模塊開發(fā)完成后，用戶可
以從我們的網(wǎng)站上軟件模塊，直接安裝到計(jì)算機(jī)上，使用戶的軟件應(yīng)用系統(tǒng)始終處于
先進(jìn)的狀態(tài)。
　
三、掃描探針顯微鏡（SPM）通用平臺(tái)的可擴(kuò)展特征驗(yàn)證
（一）掃描隧道顯微鏡（STM）功能模塊
在SPM系列顯微鏡中，掃描隧道顯微鏡（STM）是簡(jiǎn)單的一種，也是分辨率的一種。在排除外界振動(dòng)的情況下，使用一周內(nèi)解理的HOPG樣品，經(jīng)過丙酮清洗機(jī)械成型法制備的Pt-Ir針尖，用我們的儀器得到可分辨原子圖象的概率超過90%。這些指標(biāo)直接證明了通用平臺(tái)的技術(shù)性能指標(biāo)。
　
（二）原子力顯微鏡（AFM）功能模塊
對(duì)原子力顯微鏡（AFM）而言，高質(zhì)量的聚焦激光探測(cè)器和對(duì)外部環(huán)境震動(dòng)的有效隔離是其分辨率的。在不考慮聚焦激光探測(cè)器質(zhì)量的前提下，對(duì)于相同的外部環(huán)境震動(dòng)系統(tǒng)，STM是AFM分辨率的10倍，這一點(diǎn)，已經(jīng)是行業(yè)內(nèi)公認(rèn)的一個(gè)指標(biāo)。我們整個(gè)AFM的開發(fā)過程只用了兩個(gè)月的時(shí)間，也直接證明了SPM通用平臺(tái)的實(shí)用性和易開發(fā)性。
　
四、掃描探針顯微鏡（SPM）通用平臺(tái)特點(diǎn)及其技術(shù)指標(biāo)
（一）SPM通用平臺(tái)特點(diǎn)
該通用平臺(tái)的特點(diǎn)就是為SPM家族中眾多種類儀器的開發(fā)提供了一個(gè)高、開放接口、便于升級(jí)和擴(kuò)展的軟硬件基礎(chǔ)。
1.通用平臺(tái)的硬件可擴(kuò)展性
設(shè)定統(tǒng)一軟硬件接口，便于二次開發(fā)和產(chǎn)品升級(jí)；
在采集/控制接口部分采用EPP模式并行口采集/控制系統(tǒng)，共提供16路AD、16路DA、32路DI、32
路DO和一個(gè)可編程三輸出時(shí)鐘信號(hào)源；
與特征部分之間采用8線標(biāo)準(zhǔn)接口，和可由用戶自己定義的擴(kuò)展接口；
在主板上，提供8路高壓信號(hào)接口、功能模塊擴(kuò)展接口，及8路高馬達(dá)控制接口。

2.通用平臺(tái)的用戶級(jí)軟件可擴(kuò)展性
用戶級(jí)可擴(kuò)展性不同于普通意義的二次開發(fā)，通常的二次開發(fā)只提供一些動(dòng)態(tài)庫接口，開發(fā)方
必須全部重新編制一套完整的軟件，包括界面、文件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理算法、軟硬件接口等，而我們
的用戶級(jí)軟件可擴(kuò)展性，可以在系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)，直接在我們的軟件基礎(chǔ)上進(jìn)行功能模塊的添
加、修改和擴(kuò)充，而不必重新編制一套完整軟件，方便而可行。
對(duì)于較復(fù)雜的部分，我們采用封裝和自動(dòng)模板技術(shù)，大大降低對(duì)用戶軟件水平的要求。
同時(shí)，每一個(gè)模塊都是獨(dú)立的，接口采用我們制定的標(biāo)準(zhǔn)接口方式，而不必開放太多的技術(shù)內(nèi)
容，如此就可以妥善保護(hù)各方面的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

3.通用平臺(tái)的速度與
雙AD（12位，可擴(kuò)展為16位）同步采集，采集速度 >100KHz；
雙DA（12位，可擴(kuò)展為16位）同步發(fā)送，發(fā)送速度 >200KHz；
高壓輸出-150V ~ +150V，紋波1.5mV；
由于低噪聲AD/DA技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，使得我們獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的平衡差分放大技術(shù)成為可行。有效信號(hào)
采樣基本達(dá)到20位的，同時(shí)雙通道同步轉(zhuǎn)換速度達(dá)到200KHz。

（二）SPM通用平臺(tái)技術(shù)指標(biāo)
1. 樣品臺(tái)大?。?phi;10mm
2. 掃描范圍：6μm×6μm×1.25μm
3. 在上述范圍內(nèi)有效極限掃描：0.03nm×0.03nm×0.006nm
4. 掃描速度：56000 P/S
5. 針尖逼近方式、行程及：線動(dòng)螺紋+自動(dòng)馬達(dá)，行程<10mm，<0.1μm
6. 采樣數(shù)： 256×256 / 512×512
7. 計(jì)算機(jī)離線處理軟件：校正，濾波，平滑，反轉(zhuǎn)，F(xiàn)FT，剪切，剖面線，三維顯示，文件操作等
8. 電氣防護(hù)安全：絕緣電阻>5MW，泄漏電流<5mA，介電強(qiáng)度1500V/分鐘電壓試驗(yàn)。
　
五、SPM通用平臺(tái)的獨(dú)到之處
SPM通用平臺(tái)采用了獨(dú)到的硬件、軟件可擴(kuò)展技術(shù)；
同步雙通道掃描和數(shù)據(jù)采集技術(shù)；
雙12位掃描/采樣技術(shù)（其與20位相當(dāng)，以保證XY理論掃描為0.01nm，Z理論分辨為
0.002nm）；
差分同步獨(dú)立高壓放大技術(shù)（在±150V高壓范圍內(nèi)，使得低頻噪聲紋波小于1.5mV，信噪比為
200000:1）；
智能型針尖連接技術(shù)（已申請(qǐng)了），使儀器可以自動(dòng)識(shí)別并運(yùn)行當(dāng)前裝載的顯微鏡的工作模
式，使用非常方便。
使得在SPM通用平臺(tái)上開發(fā)的STM/AFM一體機(jī)整體性能在同類產(chǎn)品中達(dá)到國(guó)內(nèi)，國(guó)際先進(jìn)水平。
(通過鑒定結(jié)論)
　
六、結(jié)束語
通用、開放、兼容是我們開發(fā)SPM儀器的指導(dǎo)思想和理念。
SPM是一種極具潛力的檢測(cè)分析儀器，甚至微加工設(shè)備，其種類和功能在今后將有長(zhǎng)足的發(fā)展和突破，各家關(guān)起門來打造各成體系的儀器是既不利于也不適應(yīng)其發(fā)展趨勢(shì)的。
目前的SPM產(chǎn)品種類單調(diào)，功能也有很大的局限，這從很大程度上延滯了SPM市場(chǎng)的成長(zhǎng)。
只有規(guī)范通用標(biāo)準(zhǔn)的軟硬件接口，并且開放接口，使其兼容，才能夠使各家集中精力發(fā)展自己的優(yōu)勢(shì)，并為優(yōu)勢(shì)的互相整合提供了可行的途徑，終打造出整體品質(zhì)優(yōu)良，功能強(qiáng)大的SPM儀器，以應(yīng)市場(chǎng)發(fā)展的需要。
技術(shù)的快速發(fā)展需要開放，這是必然的趨勢(shì)，而開放又需要保護(hù)和規(guī)范做前提，這看似矛盾，但PC機(jī)的發(fā)展史已經(jīng)為21世紀(jì)技術(shù)發(fā)展提供了一個(gè)成功的典范。SPM通用平臺(tái)是我們?yōu)榇怂龅囊恍﹪L試和努力，希望以我們微薄的力量呼吁起整個(gè)行業(yè)對(duì)SPM儀器通用、開放、兼容性發(fā)展的重視和共同的努力。