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



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

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 29
2.3.2. Chế độ không tiếp xúc 30
2.3.3. Chế độ dao động (Chế độ tiếp xúc liên tục) 30
2.3.4. Ưu điểm và nhược điểm của các chế độ AFM. 32
2.4. AFM trong so sánh với các thiết bị khác [14,21] 33
2.4.1. Kính hiển vi quét đường ngầm 33
2.4.2. Kính hiển vi quét điện tử 33
2.4.3. Kính hiển vi điện tử truyền qua 34
2.5. Lock-in trong AFM 34
CHƢƠNG 3: NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO LOCK-IN TƢƠNG TỰ. KẾT QUẢ,
THẢO LUẬN 36

góc 90
0

Hình 1.4
Bộ khuếch đại Lock-in số [4]
ình 1.5
Sơ đồ khối của một bộ khuếch đại Lock-in tƣơng tự
Hình 2.1
Sự khác nhau về cơ chế hoạt động giữa SPM và kính hiển vi
truyền thống
Hình 2.2
Họ gia đình kính hiển vi SPM
Hình 2.3
Sơ đồ nguyên lý rung và phản xạ tín hiệu của đầu dò
Hình 2.4
Sơ đồ nguyên lý hoạt động của AFM
Hình 2.5
Nguyên lý thu nhận tín hiệu trên AFM
Hình 2.6
Sơ đồ lực nguyên tử khi đầu dò quét trên bề mặt mẫu
Hình 2.7
Các hƣớng của cantilever
Hình 2.8
Que dò với 4 cantilever khác nhau với hằng số đàn hồi khác nhau
(N/m)
Hìh 3.1
Sơ đồ của LIA sử dụng 3 mạch tích hợp (IC)
Hình 3.2
Sơ đồ mạch điện tử và mạch in của hệ LIA sử dụng 3 mạch tích
hợp

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

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

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.

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:

      



15 Hình 1.2. Tín hiệu, tín hiệu Reference và tích của hai tín hiệu đồng pha và lệch
pha góc 90
0

Phương trình của các sóng với w
1
=w
2
=w sau khi nhân đã được rút gọn lại
là:

 
)2cos(5.0.5.0)2cos()0cos(.5.0)(
212121
wtVVVVwtVVt 
(1.2)
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


(1.3)
Và pha của tín hiệu được xác định bằng công thức

X
Y
arctan

(1.4)

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 Anti-
alias 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

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
0
90
.
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

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
Lock-in 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 LOCK-
IN 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

Chế tạo mũi dò kích thước nguyên tử
Định vị chính xác mũi dò
Thu nhận tín hiệu cực bé Hình 2.1 Sự khác nhau về cơ chế hoạt động giữa SPM và kính hiển vi truyền
thống
Mặc dù khó nhưng ý tưởng của SPM không phải là không thực hiện được
vì các kĩ thuật này đều đã ở trong tầm tay của các nhà chế tạo.
Kính hiển vi đầu tiên hoạt động theo những nguyên tắc này là chiếc STM
do Binning và Rohre phát minh ra từ năm 1981 và đoạt giải Nobel năm 1986
[1]. Đó cũng là cái mốc đánh dấu sự ra đời của thế hệ SPM. Chỉ trong một thời
gian ngắn sau đó rất nhiều chủng loại SPM khác nhau đã được chế tạo trên cơ sở
của những tương tác lượng tử khác nhau (Hình 2.2).
Mặc dầu có rất nhiều loại SPM, nhưng về nguyên lý cơ bản và các kĩ thuật
thiết kế chế tạo cũng gần như nhau, chúng chỉ khác nhau ở chỗ sử dụng đại
lượng vật lý nào trong tương tác giữa mũi dò và mẫu đo để làm đại lượng điều
khiển. Nói cách khác, mỗi loại SPM khác nhau được tiêu biểu bởi bản chất của
vùng lực và sự tương tác của nó với bề mặt mẫu.Ví dụ trong kính hiển vi Tunnel
thì đó là dòng tunnel. Do đó để hiểu rõ về nguyên lý SPM ta có thể tìm hiểu một
thí dụ là kính hiển vi quét dòng tunnel STM.

Trích đoạn Chế độ dao động (Chế độ tiếp xúc liên tục) AFM trong so sánh với các thiết bị khác [14,21]

---