一、概 述
纳米科技是二十一世纪影响人类的关键技术。扫描探针显微镜（SPM）是纳米结构的检测和评估的
必备工具。
由于纳米科技的高速发展，作为纳米级检测的zei常规手段的SPM类仪器种类繁多，目前已经有20几
个种类，分别应用于不同的纳米技术研究领域，而且还不断会有更多种类的SPM出现。如果由一个公司
或机构开发出所有种类的SPM是不现实的，因为任何一种SPM除去其专业特性以外，又包括了电子、计算
机软硬件、机械、光学等很多专业知识。要完全掌握这些知识或组织掌握这些知识的人才在目前来说是
非常困难的。因此，国内外只有为数不多的二十几家企业可以生产SPM仪器，而且种类都不全。
扫描探针显微镜通用平台是一套模块化的软硬件开发平台工具系统，适用于由用户组装或合作开发
特殊功能的SPM仪器，以及其它纳米测量仪器、扫描设备。提供了一种开发生产SPM仪器的新的思路和方
法，其核心是将SPM仪器分解成两个大部分，即：SPM通用平台和特征部分。通用平台包括几个独立的模
块，囊括各种SPM仪器所共有的功能；特征部分包括各种SPM探针结构及相应的信号前置放大器，是各种
SPM所特有的功能部分。通用平台与特征部分之间有标准接口和扩展接口。根据不同种类的SPM，在通用
平台上搭配不同的特征部分，或者由用户按照公开的标准接口和扩展接口定义，自己开发所需的特征部
分。如此，就可以迅速开发出各种SPM。
　
二、扫描探针显微镜(SPM)通用平台基本原理、构成及其功能扩展
（一）SPM通用平台的基本原理
扫描探针显微镜(SPM)的工作原理是基于微观或介观范围的各种物理特性，通过原子线度的极细探
针在被研究物质的表面上方扫描时检测两者之间的相互作用，以得到被研究物质的表面特性。
不同类型的SPM之间的主要区别在于它们的针尖特性及其相应的针尖-样品相互作用方式的不同，以及相应的前置信号处理/放大电路。根据这一点，我们设计了SPM通用平台，其核心是将SPM仪器分解成两个大部分，即：SPM通用平台和特征部分。通用平台包括：扫描驱动电路/器件/软件，反馈控制电路/软件，马达粗调定位电路/器件/软件，环境减震机构，AD/DA转换、DIO等计算机接口，一些通用的图象处理软件，是各种SPM仪器所共有的特性；特征部分包括各种SPM探针结构、相应的信号前置放大器及相应的软件控制模型。将通用平台划分成几个独立的模块，模块之间有标准接口，通用平台与特征部分之间也有标准接口和扩展接口，并且开放这些接口的定义。这样就构成了SPM仪器的通用平台。根据不同种类的SPM，搭配不同的特征部分，或者由用户按照公开的标准接口和扩展接口定义，自己开发所需的特征部分。如此，就可以迅速开发出各种SPM以及要求纳米量级加工和定位移动的设备，产生大量我国自主知识产权的SPM仪器，以摆脱由于国产仪器功能/种类不全而必须进口外国仪器的局面。
由于SPM通用平台规范的模块化设计，标准的接口版本定义和软件的用户级开发模板和程序封装技术，使得SPM仪器也可以像PC机一样，拥有很强的兼容性，各种类间的升级换代，新功能的二次开发，软件的资源共享都可以像PC机一样方便。这些好处已经在我公司的产品系列中得到了验证。
　
（二）SPM通用平台的基本构成
SPM通用平台由扫描驱动电路/器件/软件，反馈控制电路/软件，马达粗调定位电路/器件/软件，环境减震机构，AD/DA转换、DIO等计算机接口，一些通用的图象处理软件七部分组成。
　
（三）SPM通用平台的功能扩展
SPM通用平台的zei大特点就是为SPM家族中众多种类仪器的开发提供了一个高精度、开放接口、便于升级和扩展的软硬件基础。
在SPM通用平台上进行功能扩展有三种方法。
一是选购现有的功能模块进行组装，实现产品升级换代；
二是针对一些特殊应用的SPM，由用户按照公开的标准接口和扩展接口定义，以及软件开发模
板，自己开发所需的特征功能部分，装载到SPM通用平台上；
三是软件功能扩展，我们所有的软件都是模块化设计，当有新的功能模块开发完成后，用户可
以从我们的网站上下载软件模块，直接安装到计算机上，使用户的软件应用系统始终处于
zei先进的状态。
　
三、扫描探针显微镜（SPM）通用平台的可扩展特征验证
（一）扫描隧道显微镜（STM）功能模块
在SPM系列显微镜中，扫描隧道显微镜（STM）是zei简单的一种，也是分辨率zei高的一种。在排除外界振动的情况下，使用一周内解理的HOPG样品，经过丙酮清洗机械成型法制备的Pt-Ir针尖，用我们的仪器得到可分辨原子图象的概率超过90%。这些指标直接证明了通用平台的技术性能指标。
　
（二）原子力显微镜（AFM）功能模块
对原子力显微镜（AFM）而言，高质量的聚焦激光探测器和对外部环境震动的有效隔离是其分辨率的核心。在不考虑聚焦激光探测器质量的前提下，对于相同的外部环境震动系统，STM是AFM分辨率的10倍，这一点，已经是行业内公认的一个指标。我们整个AFM的开发过程只用了两个月的时间，也直接证明了SPM通用平台的实用性和易开发性。
　
四、扫描探针显微镜（SPM）通用平台特点及其技术指标
（一）SPM通用平台特点
该通用平台的zei大特点就是为SPM家族中众多种类仪器的开发提供了一个高精度、开放接口、便于升级和扩展的软硬件基础。
1.通用平台的硬件可扩展性
设定统一软硬件接口，便于二次开发和产品升级；
在采集/控制接口部分采用EPP模式并行口采集/控制系统，共提供16路AD、16路DA、32路DI、32
路DO和一个可编程三输出时钟信号源；
与特征部分之间采用8线标准接口，和可由用户自己定义的扩展接口；
在主板上，提供8路高压信号接口、功能模块扩展接口，及8路高精度马达控制接口。

2.通用平台的用户级软件可扩展性
用户级可扩展性不同于普通意义的二次开发，通常的二次开发只提供一些动态库接口，开发方
必须全部重新编制一套完整的软件，包括界面、文件系统、数据处理算法、软硬件接口等，而我们
独创的用户级软件可扩展性，可以在系统运转的同时，直接在我们的软件基础上进行功能模块的添
加、修改和扩充，而不必重新编制一套完整软件，方便而可行。
对于较复杂的部分，我们采用封装和自动模板技术，大大降低对用户软件水平的要求。
同时，每一个模块都是独立的，接口采用我们制定的标准接口方式，而不必开放太多的技术内
容，如此就可以妥善保护各方面的知识产权。

3.通用平台的速度与精度
双AD（12位，可扩展为16位）同步采集，采集速度 >100KHz；
双DA（12位，可扩展为16位）同步发送，发送速度 >200KHz；
高压输出-150V ~ +150V，纹波1.5mV；
由于低噪声AD/DA技术的实现，使得我们独立知识产权的平衡差分放大技术成为可行。有效信号
采样精度基本达到20位的精度，同时双通道同步转换速度达到200KHz。

（二）SPM通用平台技术指标
1. 样品台大小：φ10mm
2. 扫描范围：6μm×6μm×1.25μm
3. 在上述范围内有效极限扫描精度：0.03nm×0.03nm×0.006nm
4. 扫描速度：zei大56000 P/S
5. 针尖逼近方式、行程及精度：线动螺纹+自动马达，行程<10mm，精度<0.1μm
6. 采样数： 256×256 / 512×512
7. 计算机离线处理软件：校正，滤波，平滑，反转，FFT，剪切，剖面线，三维显示，文件操作等
8. 电气防护安全：绝缘电阻>5MW，泄漏电流<5mA，介电强度1500V/分钟电压试验。
　
五、SPM通用平台的独到之处
SPM通用平台采用了独到的硬件、软件可扩展技术；
同步双通道扫描和数据采集技术；
双12位扫描/采样技术（其精度与20位相当，以保证XY理论扫描精度为0.01nm，Z理论分辨精度为
0.002nm）；
差分同步独立高压放大技术（在±150V高压范围内，使得低频噪声纹波小于1.5mV，信噪比为
200000:1）；
智能型针尖连接技术（已申请了专利），使仪器可以自动识别并运行当前装载的显微镜的工作模
式，使用非常方便。
使得在SPM通用平台上开发的STM/AFM一体机整体性能在同类产品中达到国内领先，国际先进水平。
(通过专家鉴定结论)
　
六、结束语
通用、开放、兼容是我们开发SPM仪器的指导思想和核心理念。
SPM是一种极具潜力的检测分析仪器，甚至微加工设备，其种类和功能在今后将有长足的发展和突破，各家关起门来打造各成体系的仪器是既不利于也不适应其发展趋势的。
目前的SPM产品种类单调，功能也有很大的局限，这从很大程度上延滞了SPM市场的成长。
只有规范通用标准的软硬件接口，并且开放接口，使其兼容，才能够使各家集中精力发展自己的优势，并为优势的互相整合提供了可行的途径，zei终打造出整体品质优良，功能强大的SPM仪器，以应市场发展的需要。
技术的快速发展需要开放，这是必然的趋势，而开放又需要保护和规范做前提，这看似矛盾，但PC机的发展史已经为21世纪技术发展提供了一个成功的典范。SPM通用平台是我们为此所做的一些尝试和努力，希望以我们微薄的力量呼吁起整个行业对SPM仪器通用、开放、兼容性发展的重视和共同的努力。

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