[论文解读] Eliminating the effect of acoustic noise on cantilever spring constant calibration

Aaron Mascaro, Yoichi Miyahara+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2018

Force Microscopy Techniques and Applications参考文献 30被引用 5

一句话总结

本文提出一种主动驱动方法，以消除原子力显微镜（AFM）中悬臂梁劲度系数校准过程中的声学噪声干扰。通过主动驱动悬臂梁以测量其共振频率和品质因数，该方法在无需额外硬件的情况下实现了对噪声不敏感、可重复的劲度系数测量，解决了不同实验室和仪器间AFM力测量中主要的变异性来源。

ABSTRACT

A common use for atomic force microscopy is to quantify local forces through tip-sample interactions between the probe tip and a sample surface. The accuracy of these measurements depends on the accuracy to which the cantilever spring constant is known. Recent work has demonstrated that the measured spring constant of a cantilever can vary up to a factor of two, even for the exact same cantilever measured by different users on different microscopes. Here we demonstrate that a standard method for calibrating the spring constant (using the oscillations due to thermal energy) is susceptible to ambient noise, which can alter the result significantly. We demonstrate a new step-by-step method to measure the spring constant by actively driving the cantilever to measure the resonance frequency and quality factor, giving results that are unaffected by acoustic noise. Our method can be performed rapidly on any atomic force microscope without any expensive additional hardware.

研究动机与目标

• 解决在不同用户和AFM系统之间观察到的悬臂梁劲度系数测量结果存在高达两倍差异的显著变异性问题。
• 识别环境声学噪声作为基于热噪声校准方法中系统性误差的关键来源。
• 开发一种鲁棒的、与硬件无关的方法，消除声学噪声对劲度系数校准的影响。
• 在无需昂贵改造的前提下，利用标准AFM系统实现准确、可重复的劲度系数测量。

提出的方法

• 该方法用主动驱动替代被动的热噪声测量，通过函数发生器和扬声器驱动悬臂梁产生机械振动。
• 通过分析激励后悬臂梁的衰减振铃（ringdown）信号，拟合数据至衰减指数函数，测量共振频率和品质因数。
• 仅在信号高于噪声底限的范围内记录并拟合衰减信号，以确保准确性并降低对外部噪声的敏感性。
• 利用测得的共振频率和品质因数，结合Sader的解析模型计算劲度系数。
• 该方法避免依赖对热噪声功率谱密度（PSD）的拟合，后者易受声源引起的非白噪声、非高斯噪声影响。
• 该方法兼容任何标准AFM系统，除标准AFM电子设备和函数发生器外，无需其他专用硬件。

实验结果

研究问题

• RQ1 环境声学噪声在多大程度上扭曲了AFM中热驱动悬臂梁振荡的功率谱密度（PSD）？
• RQ2 主动驱动悬臂梁能否消除声学噪声对共振频率和品质因数测量的影响？
• RQ3 为何不同用户和AFM系统对同一根悬臂梁报告的劲度系数存在显著差异？
• RQ4 能否开发一种对声学噪声具有鲁棒性的校准方法，且无需昂贵硬件？
• RQ5 与基于热噪声的方法相比，主动驱动是否能提供更具可重复性的劲度系数测量结果？

主要发现

• 声学噪声显著扭曲了悬臂梁的热噪声PSD，导致拟合不准确，并使测得的劲度系数出现高达两倍的差异。
• 共振频率处于音频范围（例如约20 kHz）的悬臂梁尤其容易受到声学噪声干扰。
• 主动驱动通过将信号提升至噪声底限以上，实现了对共振频率和品质因数的可靠测量，使其对环境声学噪声不敏感。
• 采用衰减振铃法测量Q因子可实现高度可重复的结果，多次测量中标准差极低。
• 基于主动驱动数据计算的劲度系数在不同用户和AFM系统间表现出一致结果，消除了实验室间差异。
• 该方法对音频范围和超声范围的悬臂梁均有效，显示出广泛的应用潜力。