Nghiên cứu, thiết kế bộ khuếch đại lock in tương tự ứng dụng trong kính hiển vi lực nguyên tử (atomic force microscopy)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN NGỌC TUẤN

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ BỘ KHUẾCH ĐẠI LOCK-IN TƯƠNG
TỰ ỨNG DỤNG TRONG KÍNH HIỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ
(Atomic Force Microscopy)

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Huế – 2014


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN NGỌC TUẤN

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ BỘ KHUẾCH ĐẠI LOCK-IN TƯƠNG
TỰ ỨNG DỤNG TRONG KÍNH HIỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ
(Atomic Force Microscopy)

Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Mã số: 60.52.02.03

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. VÕ THANH TÙNG

Huế – 2014

1

LỜI CẢM ƠN
Trước hết cho tôi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành và lòng tri ân sâu sắc tới
TS. Võ Thanh Tùng, người thầy đã luôn tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, tạo mọi
điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt thời gian tôi thực hiện luận văn này.
Tôi xin gởi lời cám ơn đến tất cả các giáo viên hiện đang giảng dạy và công
tác tại khoa Điện tử - Viễn thông, trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia
Hà Nội đã tận tình hướng dẫn cũng như trang bị cho tôi những kiến thức từ cơ
bản cho đến chuyên sâu trong suốt quá trình vào giảng dạy tại trường Đại học
Khoa học Huế.
Và cuối cùng xin được cảm ơn các thầy, cô, anh, chị, các bạn trong khoa
Điện tử - Viễn thông, trường Đại học Khoa học Huế đã tạo điều kiện giúp đỡ,
chỉ bảo và cho tôi những lời khuyên vô cùng quý báu.
Học viên
Nguyễn Ngọc Tuấn


2

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận văn là do tôi nghiên cứu
dưới sự hướng dẫn của TS. Võ Thanh Tùng. Các số liệu kết quả nêu trong luận
văn là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Ngƣời viết

Nguyễn Ngọc Tuấn

3

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN............................................................................................................................................ 1
LỜI CAM ĐOAN..................................................................................................................................... 2
MỤC LỤC................................................................................................................................................... 3
DANH MỤC HÌNH VẼ........................................................................................................................ 5
MỞ ĐẦU...................................................................................................................................................... 8
1. Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài.............................................................................. 8
2. Mục đích và nội dung nghiên cứu........................................................................................ 8
3. Ý nghĩa khoa học và khả năng ứng dụng thực tiễn của đề tài...............................9
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT KĨ THUẬT LOCK-IN.............................. 11
1.1. Tại sạo phải sử dụng kĩ thuật Lock-in [4].................................................................. 11
1.2. Bộ khuếch đại Lock-in là gì?........................................................................................... 12
1.3. Nguyên lý làm việc của Lock-in.................................................................................... 14
1.4. Tín hiệu - Phase....................................................................................................................... 15
1.5. Các kĩ thuật Lock-in.............................................................................................................. 17
1.5.1. Bộ khuếch đại Lock-in số (Digital Lock-in Amplifiers)........................... 17
1.5.2. Bộ khuếch đại Lock-in tương tự (Analog Lock-in Amplifiers)............18
1.6. Đánh giá ưu, nhược điểm của các loại Lock-in?.................................................... 20
CHƢƠNG 2: KÍNH HIỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ. KHUẾCH ĐẠI LOCK-IN
ỨNG DỤNG TRONG KÍNH HIỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ........................................... 22
2.1. Tổng quan SPM (Kính hiển vi quét đầu dò)............................................................ 22
2.2. Nguyên lý hoạt động của AFM....................................................................................... 24
2.2.1. Nguyên lý chung............................................................................................................ 24
2.2.2. Thiết bị dò.......................................................................................................................... 28
2.2.3. Sự phản hồi....................................................................................................................... 28
2.3. Các chế độ hoạt động của AFM [8,14]....................................................................... 29

4

2.3.1. Chế độ tiếp xúc ...................................................................................
2.3.2. Chế độ không tiếp xúc ........................................................................
2.3.3. Chế độ dao động (Chế độ tiếp xúc liên tục) .......................................
2.3.4. Ưu điểm và nhược điểm của các chế độ AFM. ..................................

2.4.AFM trong so sánh với các thiết bị khác [14,21
2.4.1. Kính hiển vi quét đường ngầm ...........................................................
2.4.2. Kính hiển vi quét điện tử ....................................................................
2.4.3. Kính hiển vi điện tử truyền qua ..........................................................

2.5.Lock-in trong AFM ...........................................
CHƢƠNG 3: NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO LOCK-IN TƢƠNG TỰ. KẾT QUẢ,
THẢO LUẬN .......................................................................................................

3.1.Phát triển bộ khuếch đại Lock-in tương tự tron

3.2.Mô tả nguyên lý mạch Lock-in ........................

3.3.Đánh giá, kiểm tra thiết bị ................................

3.4.Phát triển bộ khuếch đại Lock-in tương tự tron
tử AFM .............................................................................................................
KẾT LUẬN, ĐỀ XUẤT ........................................................................................
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ......................................................
TÀI LIỆU THAM KHẢO .....................................................................................

Hình 1.1

Sơ

Hình 1.2

Tín

lệc
Hình 1.3

Tín

gó
Hình 1.4

Bộ

ình 1.5

Sơ

Hình 2.1

Sự
tru

Hình 2.2

Họ

Hình 2.3

Sơ

Hình 2.4

Sơ

Hình 2.5

Ng

Hình 2.6

Sơ

Hình 2.7

Cá

Hình 2.8

Qu
(N

Hì h 3.1

Sơ

Hình 3.2

Sơ
hợ

Hình 3.3

Mạ

Hình 3.4

Mạ

Hình 3.5

Kế

Hình 3.6

Đƣ

mạ
Hình 3.7

Kế


6

Hình 3.8

Kết quả tín hiệu đo thông qua sử dụng Lock-in

Hình 3.9

Đầu dò và hệ kính hiển vi lực nguyên tử “Fork-AFM”

Hình 3.10 Hình ảnh khảo sát bề mặt trên hệ hiển vi lực nguyên tử “ForkAFM”
Hình 3.11 Khối mạch điện tử của Lock-in trong kết nối với mạch của hệ kính
hiển vi lực nguyên tử “Fork-AFM”
Hình 3.12 Khảo sát bề mặt của mẫu máu bằng kính hiển vi lực nguyên
tử “Fork-AFM”


7

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
AFM

: Atomic Force Microscopy (Kính hiển vi lực nguyên tử)

A/D

: Bộ chuyển đổi tương tự/số

AC

: Dòng điện xoay chiều

DC

: Dòng điện một chiều

DSP

: Digital Signal Processor (Xử lý tín hiệu số)

FM-AFM

: Kính hiển vi lực nguyên tử điều tần

IC

: Mạch tích hợp

LIA

: Lock-in Amplifier (Bộ khuếch đại Lock-in)

Op Amps

: Khuếch đại thuật toán

PSD

: Phase Sensitive Detector (Bộ dò nhạy pha)

PLL

: Phase-Locked-Loop (Vòng khóa pha)

SEM

: Scanning Electron Microscope (Kính hiển vi quét điện tử)

S/N

: Tỉ số tín hiệu/nhiễu

SPM

: Scanning Probe Microscope (Kính hiển vi quét đầu dò)

STM

: Scanning Tunnel Microscope (Kính hiển vi quét đường ngầm)

TEM

: Transmission Electron Microscope (Kính hiển vi điện tử truyền
qua)


8

MỞ ĐẦU
1.

Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài

Ngày nay với sự phát triển rất nhanh của khoa học kĩ thuật, việc ra đời các
thiết bị nhằm kiểm tra, đánh giá, khảo sát các tính chất bề mặt của vật liệu phát
triển khá mạnh. Trong đó, kính hiển vi lực nguyên tử, viết tắt là AFM (Atomic
force microscopy) là thiết bị công nghệ tiên tiến, hiện đại được sử dụng trong
việc nghiên cứu tính chất bề mặt mẫu với độ phân giải cỡ nanomét. Có thể nói
đây là thiết bị thuộc loại cao cấp nhất hiện nay cả về giá trị chất xám lẫn giá trị
kinh tế, tổng hợp nhiều công nghệ cao. Hiện nay, hầu hết các thiết bị kính hiển
vi đầu dò được trang bị trong nước khá hiện đại và có giá thành khá cao. Bên
cạnh đó một vấn đề đặt ra là quá trình khai thác và sử dụng các trang thiết bị này,
đặc biệt là quá trình nâng cấp rất hạn chế. Đặc biệt vì đây là hệ đóng kín, bảo hộ
bản quyền, nên người dùng hoàn toàn thụ động và không dễ dàng can thiệp để
thay đổi cũng như cập nhật.
Chính vì vậy, tại Việt Nam từ năm 2001 đã hình thành một nhóm nghiên
cứu, thiết kế chế tạo kính hiển vi lực nguyên tử AFM. Đến nay phiên bản thứ 2
của thiết bị này đã ra đời, song cũng vẫn chỉ ứng dụng trong phòng thí nghiệm.
Việc triển khai mở rộng, thương mại hóa thiết bị này còn gặp rất nhiều khó khăn.
Một trong những khó khăn đó là việc sử dụng kĩ thuật Lock-in trong thiết bị này
nhằm để thu nhận tín hiệu tốt hơn trong quá trình quét đầu dò trên bề mặt mẫu.
Dựa trên các phiên bản được cung cấp từ các thiết bị kính hiển vi đầu dò hiện có,
nhiều phiên bản Lock-in số cũng đã được nhóm nghiên cứu thiết kế, thử nghiệm
nhưng kết quả vẫn không đạt theo mong muốn. Xuất phát từ lý do đó, tác giả
muốn thử nghiệm với kĩ thuật Lock-in tương tự và đề xuất tên đề tài: “Nghiên
cứu, thiết kế bộ khuếch đại Lock-in tương tự ứng dụng trong kính hiển vi lực
nguyên tử (Atomic force microscopy)”.
2. Mục đích và nội dung nghiên cứu
Mục đích đầu tiên của đề tài là hướng đến nghiên cứu, phát triển bộ khuếch
đại Lock-in tương tự, từ đó đưa vào mạch của hệ kính hiển vi lực nguyên tử để
có thể thu được hình ảnh quét tối ưu. Với các kết quả thu được, có thể tách bộ
Lock-in tương tự thành một thiết bị riêng để có thể hỗ trợ các phép đo khác cũng

như thương mại hóa thiết bị này.


9

Với mục đích đặt ra, nội dung nghiên cứu của luận văn hướng đến các nội
dung chính sau:
+ Tổng quan lý thuyết kĩ thuật Lock-in.
+
Tìm hiểu kính hiển vi lực nguyên tử AFM và các chế độ hoạt động của
kính hiển vi này. Tìm hiểu mục đích của kĩ thuật Lock-in ứng dụng trong mạch
điện tử của họ kính hiển vi này.
+
Nghiên cứu, phát triển hệ Lock-in tương tự. Kết nối mạch với các thiết
bị hiện có để khảo sát, kiểm tra tín hiệu đo. Ứng dụng kĩ thuật Lock-in tương tự
vào mạch điện tử của họ kính hiển vi lực nguyên tử “Fork-AFM”. So sánh, đánh
giá kết quả nhận được.
+ Đề xuất, kiến nghị.
3.

Ý nghĩa khoa học và khả năng ứng dụng thực tiễn của đề tài

Các kết quả nghiên cứu của luận văn sẽ đóng góp một nền tảng cơ bản về
kĩ thuật Lock-in và họ kính hiển vi lực nguyên tử trong nghiên cứu bề mặt của
vật liệu. Ngoài ra, luận văn còn trình bày việc ứng dụng kĩ thuật Lock-in trong
việc nâng cao độ phân giải của họ kính hiển vi này.
Luận văn thạc sĩ hoàn thành sẽ là cơ sở để tiếp tục nghiên cứu, phát triển và
xây dựng họ kính hiển vi lực nguyên tử tại Việt Nam, cụ thể ở đây là tại Viện
Vật lý Ứng dụng và Thiết bị khoa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ
Việt Nam và khoa Vật lý, trường Đại học Khoa học Huế. Ngoài ra luận văn hoàn

thành sẽ hỗ trợ phương án thương mại hóa kĩ thuật Lock-in trên thị trường.
Về cấu trúc, luận văn với 3 chương chính, cụ thể là:
CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN LÝ THUYẾT KĨ THUẬT LOCK-IN
Giới thiệu tổng quan về kĩ thuật Lock-in. Phát triển và ứng dụng của kĩ
thuật này hiện nay.
CHƢƠNG 2 : KÍNH HIỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ. KHUẾCH ĐẠI
LOCK-IN ỨNG DỤNG TRONG KÍNH HIỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ
Trình bày khái quát về nguyên lý hoạt động của hệ kính hiển vi lực nguyên
tử, các chế độ hoạt động của họ kính hiển vi này. Trong chương này còn trình
bày nguyên nhân và lý do phải sử dụng kĩ thuật Lock-in đối với kính hiển vi lực
nguyên tử.


10

CHƢƠNG 3 : NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO LOCK-IN. KẾT QUẢ, THẢO
LUẬN
Chế tạo mạch Lock-in tương tự sử dụng trong phòng thí nghiệm. Kết nối hệ
đo để khảo sát, kiểm tra tín hiệu qua mạch Lock-in tương tự.
Ứng dụng kĩ thuật này trong mạch điện tử của một hệ kính hiển vi lực
nguyên tử “Fork-AFM”. Khảo sát hình ảnh đo và đưa ra các nhận xét về kết quả
đạt được.
Luận văn được thực hiện tại khoa Điện tử - Viễn thông, trường Đại học
Công nghệ Hà Nội và trường Đại học Khoa học Huế. Thời gian thực hiện từ
tháng 01/2012 đến hết tháng 9/2013.


11

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT KĨ THUẬT LOCK-IN

Đối với các phòng thí nghiệm đo lường quang phổ đắt tiền thì kĩ thuật
Lock-in không còn xa lạ gì nhưng đối với nhiều lĩnh vực khác thì đây là vấn đề
còn khá lạ lẫm.
Tuy nhiên, số người không biết về kĩ thuật này đã giảm đi rất nhanh. Hiện
nay, kĩ thuật DSP (xử lí tín hiệu số) đã được ứng dụng trong các bộ khuếch đại
Lock-in, và những cải tiến chính của kĩ thuật này làm cho nó rẻ tiền và dễ sử
dụng hơn, đã và đang làm cho kỹ thuật Lock-in được ứng dụng trong tất cả các
lĩnh vực mà trước đây chưa sử dụng đến.
1.1. Tại sạo phải sử dụng kĩ thuật Lock-in [4]
Để đo các tín hiệu điện có biên độ nhỏ là nhiệm vụ rất khó khăn. Nguyên
nhân bởi tại sự xuất hiện nguồn tín hiệu 50/60Hz từ đường nguồn trong cáp tín
1
hiệu, nhiễu f từ bộ tiền khuếch đại tần cao, nguồn nhiễu nhiệt từ bộ sensor, sự

trôi dòng từ bộ phát tín hiệu quang (photodetector),… hay sự kết hợp của các
vấn đề trên, các nguồn nhiễu của tất cả các loại và những tần số làm cản trở khả
năng của các máy đo điển hình tốc độ nhanh, độ chính xác khi đọc các kiểu dữ
liệu với tín hiệu nhỏ.
Trong khi đo các tín hiệu là xoay chiều hay một chiều, các nhiễu xoay
chiều hay sự trôi một chiều gây ra cho quá trình thu dữ liệu sự không ổn định và
làm tăng độ không chắc chắn tính chính xác của dữ liệu thu được.
Hằng số thời gian lớn có thể làm tăng độ chính xác của phép đo bởi nó sẽ
làm trung bình nhiễu xoay chiều. Tuy nhiên, nếu phép đo chính nó trong thực
nghiệm xuất hiện sự trôi một chiều trong thời gian đo, thì phép đo có thể chính
xác như thế nào? Bên cạnh đó, không ai muốn đợi một thời gian dài để thu được
dữ liệu của phép đo.
May mắn thay, ứng dụng Lock-in đã cung cấp một kĩ thuật làm giảm cả
nguồn nhiễu xoay chiều và một chiều trước khi tín hiệu được đo. Tín hiệu đo có
thể được làm trung bình trong khoảng hằng số thời gian ngắn, cho phép đo
nhanh hơn và độ chính xác cao hơn.

Nếu chỉ có duy nhất một phép đo để thu tín hiệu thì nó sẽ không làm thay
đổi đáng kể theo thời gian, và nó có thể chấp nhận được khi đợi một thời gian


12

dài để lấy tín hiệu sau khi tín hiệu đã thiết lập. Tuy nhiên, nếu có nhiều phép đo
sẽ làm cho hằng số thời gian có lẽ chậm và thu được kết quả cũng khá chậm.
Ta hãy xét một ví dụ, một bộ đầu dò điển hình với mức độ nhiễu r.m.s
khoảng 10mV cho một khoảng thời gian 1s lấy tích phân, phép đo có thể cho tín
hiệu cường độ 100mV. Nếu độ chính xác mong muốn của phép đo khoảng 1%,
thì tín hiệu phải được lấy tích phân khoảng 100s trong khi sự suy giảm nhiễu
biến thiên theo bình phương của thời gian tích phân. Nếu phép đo là một phần
của máy đo ảnh phổ quét với dữ liệu khoảng 500 điểm, toàn bộ thời gian quét có
thể kéo dài 14h, thực sự là quá dài cho một phép đo thực nghiệm thông thường.
Khi biểu diễn các cách quét như nhau và sử dụng bộ khuếch đại Lock-in,
hầu hết các tần số nhiễu sẽ đi qua bộ lọc, và nó sẽ làm giảm nhiễu đi nhiều lần.
Trong thí dụ trên, nếu nhiễu bị giảm đi khoảng một trăm lần, thì mỗi điểm dữ
liệu có thể nhận được với độ chính xác mong muốn trong khoảng 0.1s và thời
gian quét sẽ giảm còn bé hơn một phút. Đây chính là nền tảng khi sử dụng kĩ
thuật khuếch đại Lock-in trong hầu hết các phương pháp khác nhau của hệ thống
đo lường.
Tương tự, nếu tín hiệu đo là thời gian biến đổi hay đồng thời với một vài
phép đo, nó có thể làm mất hoàn toàn hay biến đổi biên độ của những điểm của
sự tương thích nếu thời gian tích phân là khá dài. Trường hợp này ví dụ như
phép đo của phosphors. Những phép đo này có thể làm giảm cường độ và làm
phân rã trong vài mili giây. Để nhận được sự chính xác phép đo khi sử dụng
phương pháp một chiều có thể là không được bởi mức độ nhiễu trong khoảng
thời gian ngắn sẽ lớn hơn tín hiệu rất nhiều. Bộ khuếch đại Lock-in có thể làm
giảm nhiễu đến mức mà phép đo là có thể chấp nhận được.

1.2. Bộ khuếch đại Lock-in là gì?
Bộ khuếch đại Lock-in được xem như là bộ đo lựa chọn tần và bộ phân tích
phổ đơn kênh. Nguyên nhân là bởi vì nó đo biên độ của tín hiệu trong những dải
tần số hẹp trong khi nó loại bỏ tất cả các thành phần của tín hiệu nằm ngoài dải
tần số rất hẹp đó.
Với cách quan sát đầu tiên, dường như ta cảm thấy nó rất đơn giản. Tất cả
chúng đều yêu cầu một bộ lọc dải tần được đặt ở giữa nguồn tín hiệu và máy đo;
nhưng dường như điều này ít khi có được kết quả mong muốn. Quá trình loại


13

nhiễu, tốc độ và độ chính xác của những bộ khuếch đại Lock-in tốt vượt quá
những gì có thể được làm với bộ lọc đơn giản bởi nhiều bậc của biên độ.
Bộ khuếch đại Lock-in có thể đo được những tín hiệu xoay chiều nhỏ bị lấp
bởi một lượng lớn các nhiễu. Các tín hiệu xoay chiều có thể được tách ra ngay
cả khi nó bị lấp trong nhiễu lớn. Khả năng đó chính là cơ sở của ứng dụng của
bộ khuếch đại Lock-in.Về mặt định lượng khả năng đó được đánh giá bằng tỷ lệ
tín hiệu/nhiễu S/N, được biểu diễn bởi đơn vị dB, mà bộ khuếch đại Lock-in có
thể đạt được khi sai số phép đo là bé hơn 5%. Đối với bộ khuếch đại Lock-in
tương tự thì có thể đạt đến 60dB(1000), nhưng bộ khuếch đại Lock-in DSP cơ
bản có thể đạt được 100dB(100000) mà không cần đến bộ tiền khuếch đại.
Để đạt được vấn đề này, bộ khuếch đại Lock-in phải được cung cấp với một
tín hiệu so sánh sạch và cùng tần số sinh ra tín hiệu được đo.
Nếu tín hiệu được đo là một chiều nó sẽ phải được điều biến với một sóng
xoay chiều như các bộ điện (như trong máy đo sức căng với điện thế xoay chiều)
hay bộ cơ (như sự đi qua của tia sáng của bộ chopper quang). Tín hiệu và sự
điều biến tần số (được xem như là tín hiệu so sánh) đều phải đưa đồng thời vào
bộ khuếch đại Lock-in.
Về cấu trúc, bộ khuếch đại Lock-in gồm có các thành phần chính sau: bộ

khuếch đại tín hiệu vào - ra, bộ lọc thông dải (bandpass filter), bộ trộn (mixer),
bộ lọc thông thấp (lowpass filter) và bộ phát tín hiệu Reference (Hình 1.1).

Hình 1.1. Sơ đồ tổng thể một bộ khuếch đại Lock-in [4]
Có hai cách để thực thi sơ đồ trên: phương pháp thực hiện các chức năng
của bộ Lock-in bằng kĩ thuật tương tự (analog), hoặc phương pháp dựa trên kĩ
thuật số (digital). Chính vì vậy có hai cách chế tạo bộ khuếch đại Lock-in: bộ
khuếch đại Lock-in tương tự và bộ khuếch đại Lock-in số.


14

1.3. Nguyên lý làm việc của Lock-in
Trong thuật ngữ khuếch đại Lock-in, kĩ thuật này có thể được hiểu chung là
bộ phát hiện độ nhạy pha (PSD).
PSD bao gồm bộ nhân tín hiệu vào với tín hiệu so sánh, trong đó, tín hiệu
so sánh có biên độ và pha trùng và cùng nguồn gốc với tín hiệu vào.
Một vài bộ khuếch đại Lock-in sử dụng sóng so sánh vuông, một số khác
sử dụng sóng sin. Sóng so sánh vuông bao gồm nhiều sóng điều hòa bậc lẻ với
nguyên tắc cơ bản là nguyên nhân gây ra nhiễu tại những tần số điều hòa đã
được phát hiện, và đây thường là điều không mong muốn. Mặt khác, một sóng
so sánh hình sin hoàn thiện sẽ có kết quả chỉ là những phần cơ bản được phát
hiện.
Phương trình sóng tổng hợp, là tín hiệu nhân của hai sóng:
(t)  V1 sin(w1t).V2 sin(w2t  )
 0.5.V1V2 cosw1  w2 t   cosw1  w2 t  

VớiV1
V2
t: thời gian

Để minh họa quá trình của bộ khuếch đại Lock-in, Hình 1.2 chỉ ra sự nhân
tín hiệu hình sin bởi sóng sin chuẩn với cùng tần số w 1 = w2, đồng pha và lệch
pha nhau góc 900.


15

Hình 1.2. Tín hiệu, tín hiệu Reference và tích của hai tín hiệu đồng pha và lệch
pha góc 900
Phương trình của các sóng với w1=w2=w sau khi nhân đã được rút gọn lại
là:
(t)  0.5.V1V2 cos(0)  cos(2wt)  0.5.V1V2  0.5V1V2 cos(2wt)

Nó bao gồm thành phần một chiều (số hạng thứ nhất) và một thành phần
xoay chiều. Khi cho qua một bộ lọc thông thấp thành phần xoay chiều sẽ bị lọc
bỏ còn lại thành phần một chiều mà giá trị của nó tỷ lệ với biên độ tín hiệu và
pha so với tín hiệu so sánh.
1.4. Tín hiệu - Phase
Khi pha của tín hiệu là không bằng zero, đầu ra của khuếch đại Lock-in
không biểu diễn trực tiếp biên độ tín hiệu. Thay vào đó, mối liên hệ biến thiên
theo hàm cos. Có hai phương pháp để giải quyết vấn đề này là:
+
Điều chỉnh pha của sóng chuẩn PSD đối với sóng chuẩn vào cho đến khi
nó phù hợp


16

+ Biểu diễn phép đo pha đối ngẫu
Phép đo pha đối ngẫu có thể được hiểu là sử dụng bộ khuếch đại Lock-in

đơn pha bằng cách lấy kết quả sự phối hợp hai phép đo, một với sóng chuẩn mà
pha bằng với tín hiệu và một với sự dịch pha sóng chuẩn đi 900 từ tín hiệu đó.

Hình 1.3. Tín hiệu Reference và tích của hai tín hiệu đồng pha và lệch pha góc
900
Với dữ liệu thu được, cả hai biên độ tín hiệu và pha có thể tính được. Kĩ
thuật này phải giả thiết rằng tín hiệu là không thay đổi giữa hai phép đo.
Bộ khuếch đại pha đối ngẫu biểu diễn hai phép đo một cách đồng thời.
Trong bộ khuếch đại pha đối ngẫu, thực ra có hai phần PSD. Một PSD hoạt động
với sóng sin chuẩn, và bộ kia hoạt động với sóng cos chuẩn (Hình 1.3). Bộ lọc
thông thấp một chiều đưa ra tín hiệu một chiều của sóng sin PSD nói chung
được gọi là tín hiệu ra X, còn phần ra cos của PSD được gọi là tín hiệu ra Y.
Nếu tín hiệu có pha là lí tưởng với sóng chuẩn, đầu ra X là biên độ tín hiệu
và của Y là zero. Nếu tín hiệu ra là lệch 900 so với tín hiệu chuẩn, đầu ra Y là
biên độ tín hiệu và đầu ra X bằng zero. Nhưng không có vấn đề về pha, sự tổng
hợp biên độ Vout của X và Y sẽ biểu diễn biên độ tín hiệu.
VX2
out

Và pha của tín hiệu được xác định bằng công thức
  arctan



17

1.5. Các kĩ thuật Lock-in
1.5.1. Bộ khuếch đại Lock-in số (Digital Lock-in Amplifiers)
Sơ đồ khối của một bộ khuếch đại Lock-in số được chỉ ra trên hình sau
(Hình 1.4)

Hình 1.4. Bộ khuếch đại Lock-in số [4]
Trong một bộ khuếch đại Lock-in số, phần lớn các quá trình xử lý được
thực hiện trong miền số sử dụng phần mềm và dùng phần cứng là bộ xử lý tín
hiệu số DSP. Hình 1.4 là một bộ khuếch đại Lock-in số điển hình, hệ thống này
cũng có một bộ khuếch đại fron-end nhưng nó được nối bởi một bộ lọc Antialias Filter dùng để lọc bất kỳ tần số nào có tần số lớn hơn ½ tần số lấy mẫu.
Bộ điều khiển tín hiệu số DSC (Digital signal controller) ở đây có thể xử
dụng nhiều loại chip xử lý số chuyên dụng, ví dụ như dsPic chẳng hạn - dsPic là
một chip xử lý số tương đối mạnh, tốc độ cao.
Tín hiệu Reference trong bộ khuếch đại Lock-in số có thể được tạo ra bên
trong hoặc bên ngoài. Trong trường hợp tín hiệu được phát ra từ bên trong,
những điểm mẫu riêng lẻ của tín hiệu hiệu Reference có thể tính toán ở một mức
độ chính xác cao. Trong bộ khuếch đại Lock-in số, tín hiệu Reference được dịch
pha 900 bằng cách tra cứu bảng hoặc bằng những phép tính toán. Tín hiệu
Reference và tín hiệu dịch pha Reference được nhân với tín hiệu vào bởi DSP và
sinh ra hai kênh tín hiệu, một kênh tín hiệu đồng pha I và một kênh tín hiệu


18

vuông pha Q. Cuối cùng những kênh tín hiệu này được cho qua bộ lọc thông
thấp số (cụ thể ở đây là bộ lọc số FIR) để thu được những kết quả cuối cùng.
Bộ điều biến Lock-In DSP
Tín hiệu khuếch đại là vào trực tiếp với tốc độ cao, bộ chuyển đổi A/D có
độ phân giải cao. Bộ dao động chuẩn, quá trình PSD và bộ lọc thông thấp tất cả
được thực hiện bằng các phần xử lí số. Một sóng sin được tạo ra từ DSP chất
lượng tốt sẽ có độ méo điều hòa nhỏ nhất, và cho phép bộ PSD số đạt được các
loại bỏ tốt nhất của nhiễu dải tần. Sự cải tiến này cho phép tỉ số S/N lớn hơn và
độ chính xác góc pha tín hiệu - điển hình 0.001 0 với DSP so với 10 của bộ
khuếch đại Lock-in analog.

Giả sử rằng, tốc độ và độ phân giải của các chip A/D và DSP là đều có ý
nghĩa, sai số trong miền xử lí số sẽ là đáng kể, và sẽ không có sự trôi. Hơn thế
nữa, bộ lọc thông thấp DSP sẽ là linh động hơn, khi mà nó là độc lập với phần
cứng. Chừng nào mà DSP có đủ bộ nhớ và tốc độ, thực tế bất kì bộ lọc nào cũng
có thể được thực hiện bởi một sự thay đổi về thuật toán và các hệ số bộ lọc.
Ngoài ra, khi bộ PSD được thực hiện trong miền xử lí số, không có một phần
thêm nào về giá bao hàm cả việc cung cấp bộ hoạt động đối pha.
1.5.2. Bộ khuếch đại Lock-in tƣơng tự (Analog Lock-in Amplifiers)
Sơ đồ khối của một bộ khuếch đại Lock-in tương tự như sau (Hình 1.5)

Hình 1.5. Sơ đồ khối của một bộ khuếch đại Lock-in tƣơng tự
Hệ thống gồm một máy khuếch đại để tăng tín hiệu đầu vào cần đo đến một
mức thích hợp cho các thao tác tiếp theo. Một bộ lọc thông dải được dùng để


19

loại bỏ bất kỳ thành phần tín hiệu nào hoặc tại mức DC hoặc tại những hòa âm
của tín hiệu được đo.
Tiếp đến là một máy dò nhạy pha PSD (Phase Sensitive Detector), còn
được gọi là một bộ hoàn điệu (giải biến điệu) đồng bộ (Synchronous
Demodulator) hoặc bộ trộn (Mixer). Mạch này có thể có nhiều dạng, từ bộ
khuếch đại logarit đến các bộ nhân Four-quadrant. Tín hiệu vào được nhân với
một tín hiệu Reference được đưa ra từ hệ thống đang được đo. Tín hiệu
Reference cần có một tương quan pha cố định với tín hiệu vào.
Vì vậy bộ khuếch đại Lock-in phát ra một sóng sin Reference nội tại của
chính nó nhờ một vòng khóa pha PLL (phase-locked-loop) khóa vào tín hiệu
Reference của tín hiệu vào.
Trong quá trình xử lý tín hiệu tiếp theo ta thường dùng các chức năng kênh
kép. Trong trường hợp này tín hiệu vào được trộn đều với tín hiệu Reference, và

ngoài ra tín hiệu này cũng được trộn với tín hiệu Reference sau khi đã được dịch
pha 900 .
Chức năng kép kênh này có tác dụng lớn tới khả năng tính toán độ lớn của
tín hiệu vào và mối tương quan pha của nó với tín hiệu Reference. Hai kênh
riêng biệt này thường được gọi là thành phần cùng pha (In-phase component) và
thành phần vuông pha (Quadrature component), tương ứng là I và Q.
Cuối cùng, đầu ra từ những bộ trộn (mixer) được đưa vào bộ lọc thông thấp
có khả năng loại bỏ những tín hiệu không đồng bộ, để lại một tín hiệu DC cuối
cùng tỉ lệ với biên độ và pha của tín hiệu vào.
Đối với bộ khuếch đại Lock-in tương tự, để có một sự chính xác cao, tín
hiệu Reference phải có hàm lượng sóng hài rất thấp. Nó phải là một sóng hình
sin thuần khiết để đảm bảo sai số tín hiệu ở đầu ra tối thiểu có thể.
Trong bộ khuếch đại analog, PSD được thực hiện điển hình bằng một trong
hai kĩ thuật sau: bộ điều biến sóng sin hay bộ điều biến sóng vuông.
Bộ điều biến sóng sin analog
Nếu bộ điều biến sóng sin được sử dụng, sự tổng hợp này được tạo ra bằng
sử dụng bộ nhân tương tự. Vấn đề này nhân tín hiệu vào bởi một sóng sin được
tạo ra bởi bộ dao động tương tự mà pha gần với tín hiệu chuẩn.


20

Mặc dù đã có nhiều sự tiến bộ được thực hiện trong các thiết bị này, nhưng
các sai số trên một bậc (số mũ 10) - khoảng 1% và độ méo điều hòa trên một bậc
là 60dB (0.1%) vẫn tồn tại ngay cả trong các thiết bị công nghiệp có độ chính
xác cao.
Bộ điều biến sóng vuông analog
Nếu bộ điều biến sóng vuông được sử dụng, một cái ngắt analog sẽ lựa
chọn đầu ra của trạng thái bộ khuếch đại đảo khi sóng chuẩn nằm dưới điểm
zero và trạng thái không đảo khi sóng chuẩn là trên điểm zero.

Kĩ thuật này có một bất lợi là phải phát hiện các điều hòa bậc lẻ của các tần
số chuẩn trong tín hiệu vào. Điều này có ý nghĩa là người sử dụng phải quan tâm
không chỉ không có các nhiễu có nghĩa trong dải tần gần với tần số chuẩn lựa
chọn mà còn không có các nhiễu có nghĩa trong dải tần gần với các điều hòa bậc
lẻ của các tần số chuẩn đã chọn.
Đối với hai kĩ thuật điều biến analog trên, sẽ có lỗi về hệ số và offset mà đó
không phải là hằng số với tần số và vẫn còn trôi theo nhiệt độ và thời gian.
Ngoài ra, còn có vấn đề về điều chỉnh và nhiễu dịch chuyển zero.
Đầu ra của các PSD khác khi đi qua bộ lọc thông thấp analog sẽ làm loại bỏ
các thành phần xoay chiều. Bộ lọc thông thấp có sai số về hệ số và offset của
chính nó, mà nó vẫn còn thay đổi với tần số và độ trôi theo nhiệt độ và thời gian.
Ngoài ra, bậc của bộ lọc thông thấp, các hằng số thời gian và độ dốc roll-off,
được ổn định theo phần cứng và điều quan tâm là giá cả, một sự lựa chọn giới
hạn các thiết lập là có thể.
1.6. Đánh giá ƣu, nhƣợc điểm của các loại Lock-in?
Những điều kiện về giá/sự trình bày thường lấy DSP là chọn lựa đầu tiên
của đa số các nhà thiết kế, những người cần để điều khiển bất kỳ loại tín hiệu
tương tự nào. Trong các thiết bị đo điện, sự thay đổi này đã phát triển từ các máy
đo số như bộ dao động số và trong 05 năm gần đây, là các bộ khuếch đại Lockin DSP. Ngoài ra, các bộ khuếch đại Lock-in DSP tránh được các cần thiết của
các phần analog của các kĩ thuật cổ truyền, tức là chúng đã có khuynh hướng gói
gọn hơn.
Tuy nhiên, phương pháp Lock-in DSP có một số giới hạn nhất định, đó là
tốc độ quét và độ phân giải của các bộ chuyển đổi A/D và các IC DSP. Để tránh


21

được các offset một chiều và sự bất thường của sự quét, tần số lớn nhất của hoạt
động này được giới hạn bằng nửa tốc độ lấy mẫu. Tuy nhiên, giới hạn này, điển
hình, là xung quanh 100kHz, chỉ ảnh hưởng đến một lượng phần trăm rất nhỏ

của ứng dụng. Sự phát triển của kĩ thuật, ngay cả những ứng dụng với tần số cao
đều được làm cho phù hợp.
Như vậy, về tổng thể, Lock-in số là khá chính xác hơn so với bộ khuếch đại
Lock-in tương tự, đặc biệt là tại các tần số thấp, và chúng làm tốt hơn công việc
loại nhiễu, bởi đầu tiên thực ra chúng sinh ra sự méo điều hòa thấp trong phần
PSD. Tuy nhiên, tùy theo các nhiệm vụ khác nhau trong ứng dụng mà các tác giả
sẽ lựa chọn các phương án phù hợp với nghiên cứu của mình.


22

CHƢƠNG 2: KÍNH HIỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ. KHUẾCH ĐẠI LOCKIN ỨNG DỤNG TRONG KÍNH HIỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ
2.1. Tổng quan SPM (Kính hiển vi quét đầu dò)
Kính hiển vi là phương tiện được con người phát minh ra để nhìn những
cấu trúc nhỏ bé không cảm nhận được trực tiếp bằng giác quan thông thường.
Xét về phương diện kĩ thuật, thang độ hiển thị được của một họ kính hiển vi nói
chung do hai yếu tố sau đây quyết định:
Cơ chế hoạt động
Phương tiện kĩ thuật thực hiện
Cơ chế hoạt động liên hệ tới dạng tương tác giữa tín hiệu dò và cấu trúc
xảy ra trong kính hiển vi. Đây là điểm mấu chốt quyết định đến khả năng cho độ
phân giải lí thuyết có thể đạt được.
Phương tiện kĩ thuật thực hiện sẽ quyết định đến việc cho độ phân giải thực
tế, quyết định đến việc họ kính đó có khả dụng trong thực tế hay không...
Trong đại gia đình nhà kính hiển vi thì SPM là thế hệ tối tân nhất có thể thể
hiện ảnh xuống tới kích thước nguyên tử. Điều mà các thế hệ trước đó không thể
làm được do có những hạn chế xuất phát từ chính cơ chế hoạt động (Hình 2.1).
Có thể nêu ngắn gọn một số hạn chế đó, đây cũng là hạn chế chung phải
vượt qua nếu muốn cải thiện độ phân giải cho bất kì một họ kính hiển vi nào:
Sự chồng chất của thông tin phản hồi :

Thông tin từ các vị trí tương tác khác nhau có thể chồng chất nên nhau. Hạn
chế này có thể được khắc phục bằng kĩ thuật quét định xứ (điều khiển vùng
tương tác tại từng điểm). Tuy nhiên khi đó lại nảy sinh hạn chế thứ hai:
Khả năng định xứ :
Do tính chất sóng của chùm hạt nên kích thước vùng tương tác định vị
được luôn có giới hạn và rất khó đạt được kích thước nguyên tử.
Thành công của thế hệ SPM có lẽ là đã khắc phục được đồng thời hai hạn
chế này. Điều đó có thể đạt được vì SPM hoạt động trên cơ sở kết hợp 3 nguyên
tắc sau:
+ Mũi dò điểm