一、概 述
納米科技是二十一世紀影響人類的關鍵技術。掃描探針顯微鏡（SPM）是納米結構的檢測和評估的
必備工具。
由于納米科技的高速發展，作為納米級檢測的常規手段的SPM類儀器種類繁多，目前已經有20幾
個種類，分別應用于不同的納米技術研究領域，而且還不斷會有更多種類的SPM出現。如果由一個公司
或機構開發出所有種類的SPM是不現實的，因為任何一種SPM除去其特性以外，又包括了電子、計算
機軟硬件、機械、光學等很多知識。要完全掌握這些知識或組織掌握這些知識的人才在目前來說是
非常困難的。因此，國內外只有為數不多的二十幾家企業可以生產SPM儀器，而且種類都不全。
掃描探針顯微鏡通用平臺是一套模塊化的軟硬件開發平臺工具系統，適用于由用戶組裝或合作開發
特殊功能的SPM儀器，以及其它納米測量儀器、掃描設備。提供了一種開發生產SPM儀器的新的思路和方
法，其是將SPM儀器分解成兩個大部分，即：SPM通用平臺和特征部分。通用平臺包括幾個獨立的模
塊，囊括各種SPM儀器所共有的功能；特征部分包括各種SPM探針結構及相應的信號前置放大器，是各種
SPM所特有的功能部分。通用平臺與特征部分之間有標準接口和擴展接口。根據不同種類的SPM，在通用
平臺上搭配不同的特征部分，或者由用戶按照公開的標準接口和擴展接口定義，自己開發所需的特征部
分。如此，就可以迅速開發出各種SPM。
　
二、掃描探針顯微鏡(SPM)通用平臺基本原理、構成及其功能擴展
（一）SPM通用平臺的基本原理
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探
針在被研究物質的表面上方掃描時檢測兩者之間的相互作用，以得到被研究物質的表面特性。
不同類型的SPM之間的主要區別在于它們的針尖特性及其相應的針尖-樣品相互作用方式的不同，以及相應的前置信號處理/放大電路。根據這一點，我們設計了SPM通用平臺，其是將SPM儀器分解成兩個大部分，即：SPM通用平臺和特征部分。通用平臺包括：掃描驅動電路/器件/軟件，反饋控制電路/軟件，馬達粗調定位電路/器件/軟件，環境減震機構，AD/DA轉換、DIO等計算機接口，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探針結構、相應的信號前置放大器及相應的軟件控制模型。將通用平臺劃分成幾個獨立的模塊，模塊之間有標準接口，通用平臺與特征部分之間也有標準接口和擴展接口，并且開放這些接口的定義。這樣就構成了SPM儀器的通用平臺。根據不同種類的SPM，搭配不同的特征部分，或者由用戶按照公開的標準接口和擴展接口定義，自己開發所需的特征部分。如此，就可以迅速開發出各種SPM以及要求納米量級加工和定位移動的設備，產生大量我國自主知識產權的SPM儀器，以擺脫由于國產儀器功能/種類不全而必須進口外國儀器的局面。
由于SPM通用平臺規范的模塊化設計，標準的接口版本定義和軟件的用戶級開發模板和程序封裝技術，使得SPM儀器也可以像PC機一樣，擁有很強的兼容性，各種類間的升級換代，新功能的二次開發，軟件的資源共享都可以像PC機一樣方便。這些好處已經在我公司的產品系列中得到了驗證。
　
（二）SPM通用平臺的基本構成
SPM通用平臺由掃描驅動電路/器件/軟件，反饋控制電路/軟件，馬達粗調定位電路/器件/軟件，環境減震機構，AD/DA轉換、DIO等計算機接口，一些通用的圖象處理軟件七部分組成。
　
（三）SPM通用平臺的功能擴展
SPM通用平臺的特點就是為SPM家族中眾多種類儀器的開發提供了一個高、開放接口、便于升級和擴展的軟硬件基礎。
在SPM通用平臺上進行功能擴展有三種方法。
一是選購現有的功能模塊進行組裝，實現產品升級換代；
二是針對一些特殊應用的SPM，由用戶按照公開的標準接口和擴展接口定義，以及軟件開發模
板，自己開發所需的特征功能部分，裝載到SPM通用平臺上；
三是軟件功能擴展，我們所有的軟件都是模塊化設計，當有新的功能模塊開發完成后，用戶可
以從我們的網站上軟件模塊，直接安裝到計算機上，使用戶的軟件應用系統始終處于
先進的狀態。
　
三、掃描探針顯微鏡（SPM）通用平臺的可擴展特征驗證
（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）是簡單的一種，也是分辨率的一種。在排除外界振動的情況下，使用一周內解理的HOPG樣品，經過丙酮清洗機械成型法制備的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%。這些指標直接證明了通用平臺的技術性能指標。
　
（二）原子力顯微鏡（AFM）功能模塊
對原子力顯微鏡（AFM）而言，高質量的聚焦激光探測器和對外部環境震動的有效隔離是其分辨率的。在不考慮聚焦激光探測器質量的前提下，對于相同的外部環境震動系統，STM是AFM分辨率的10倍，這一點，已經是行業內公認的一個指標。我們整個AFM的開發過程只用了兩個月的時間，也直接證明了SPM通用平臺的實用性和易開發性。
　
四、掃描探針顯微鏡（SPM）通用平臺特點及其技術指標
（一）SPM通用平臺特點
該通用平臺的特點就是為SPM家族中眾多種類儀器的開發提供了一個高、開放接口、便于升級和擴展的軟硬件基礎。
1.通用平臺的硬件可擴展性
設定統一軟硬件接口，便于二次開發和產品升級；
在采集/控制接口部分采用EPP模式并行口采集/控制系統，共提供16路AD、16路DA、32路DI、32
路DO和一個可編程三輸出時鐘信號源；
與特征部分之間采用8線標準接口，和可由用戶自己定義的擴展接口；
在主板上，提供8路高壓信號接口、功能模塊擴展接口，及8路高馬達控制接口。

2.通用平臺的用戶級軟件可擴展性
用戶級可擴展性不同于普通意義的二次開發，通常的二次開發只提供一些動態庫接口，開發方
必須全部重新編制一套完整的軟件，包括界面、文件系統、數據處理算法、軟硬件接口等，而我們
的用戶級軟件可擴展性，可以在系統運轉的同時，直接在我們的軟件基礎上進行功能模塊的添
加、修改和擴充，而不必重新編制一套完整軟件，方便而可行。
對于較復雜的部分，我們采用封裝和自動模板技術，大大降低對用戶軟件水平的要求。
同時，每一個模塊都是獨立的，接口采用我們制定的標準接口方式，而不必開放太多的技術內
容，如此就可以妥善保護各方面的知識產權。

3.通用平臺的速度與
雙AD（12位，可擴展為16位）同步采集，采集速度 >100KHz；
雙DA（12位，可擴展為16位）同步發送，發送速度 >200KHz；
高壓輸出-150V ~ +150V，紋波1.5mV；
由于低噪聲AD/DA技術的實現，使得我們獨立知識產權的平衡差分放大技術成為可行。有效信號
采樣基本達到20位的，同時雙通道同步轉換速度達到200KHz。

（二）SPM通用平臺技術指標
1. 樣品臺大小：φ10mm
2. 掃描范圍：6μm×6μm×1.25μm
3. 在上述范圍內有效極限掃描：0.03nm×0.03nm×0.006nm
4. 掃描速度：56000 P/S
5. 針尖逼近方式、行程及：線動螺紋+自動馬達，行程<10mm，<0.1μm
6. 采樣數： 256×256 / 512×512
7. 計算機離線處理軟件：校正，濾波，平滑，反轉，FFT，剪切，剖面線，三維顯示，文件操作等
8. 電氣防護安全：絕緣電阻>5MW，泄漏電流<5mA，介電強度1500V/分鐘電壓試驗。
　
五、SPM通用平臺的獨到之處
SPM通用平臺采用了獨到的硬件、軟件可擴展技術；
同步雙通道掃描和數據采集技術；
雙12位掃描/采樣技術（其與20位相當，以保證XY理論掃描為0.01nm，Z理論分辨為
0.002nm）；
差分同步獨立高壓放大技術（在±150V高壓范圍內，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（已申請了），使儀器可以自動識別并運行當前裝載的顯微鏡的工作模
式，使用非常方便。
使得在SPM通用平臺上開發的STM/AFM一體機整體性能在同類產品中達到國內，國際先進水平。
(通過鑒定結論)
　
六、結束語
通用、開放、兼容是我們開發SPM儀器的指導思想和理念。
SPM是一種極具潛力的檢測分析儀器，甚至微加工設備，其種類和功能在今后將有長足的發展和突破，各家關起門來打造各成體系的儀器是既不利于也不適應其發展趨勢的。
目前的SPM產品種類單調，功能也有很大的局限，這從很大程度上延滯了SPM市場的成長。
只有規范通用標準的軟硬件接口，并且開放接口，使其兼容，才能夠使各家集中精力發展自己的優勢，并為優勢的互相整合提供了可行的途徑，終打造出整體品質優良，功能強大的SPM儀器，以應市場發展的需要。
技術的快速發展需要開放，這是必然的趨勢，而開放又需要保護和規范做前提，這看似矛盾，但PC機的發展史已經為21世紀技術發展提供了一個成功的典范。SPM通用平臺是我們為此所做的一些嘗試和努力，希望以我們微薄的力量呼吁起整個行業對SPM儀器通用、開放、兼容性發展的重視和共同的努力。