MinusK隔振台应用于原子力显微镜

随着1986年的科技发展和商业推广，原子力显微镜（AFM）成为了纳米级领域对材料和细胞进行成像和测量的重要工具之一。AFM能够以原子级的分辨率显示原子级的样品细节，有助于对一系列应用进行成像，例如定义表面表征，光刻，数据存储以及对原子和纳米结构的表面进行各种操作。

但是，随着分辨率不断从微米级过渡到纳米级，使用AFM进行更精确的振动隔离的需求变得至关重要。AFM系统极易受到环境振动的影响。当测量很小的埃米（Å）或纳米位移时，必须为仪器建立绝对稳定的环境。耦合到仪器机械结构中的任何振动都会引起垂直和水平噪声，这会降低以最高分辨率进行测量的能力。MinusK原子力显微镜隔振台是消除振动的重要部件。

垂直轴对AFM最敏感，但是这些显微镜对X和Y轴的振动也很敏感。

↑这是使用加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校的原子力显微镜，具有负刚度隔振功能的宽250 µm的蝴蝶翅膀的图像。

原子力显微镜的发展，对隔振的新需求：

自大约25年前发布第一台商用原子力显微镜以来，随着技术的进步，提高了原子力显微镜性能。这些进步扩展了原子力显微镜在缓冲液中对生物样品成像能力，以及加强了提供样品的物理数据的能力。还提高了原子力显微镜的成像速度。与能够近乎实时扫描的扫描电子显微镜不同，大约五年前传统的原子力显微镜需要1到100分钟才能获得高分辨率图像。随着高速原子力显微镜系统的引入，成像速度比以前的原子力显微镜快了三个数量级。

隔振平台上的原子力显微镜在过去的几年中，在加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校的物理系Paul Hansma研究小组中进行的三个数量级设计研究已经证明，在扩展Z轴范围的同时，以纳米级分辨率对大尺寸样品进行显微镜成像可行。

要在大型裂纹和深层微裂纹进行极限深度成像，显微镜必须具有至少200微米的Z范围和足够长的悬臂尖端以探测裂纹。但是，随着尖端垂直运动的增加，振动的可能性更大。通过引入负刚度隔振解决了该问题。 由MinusK Technology开发并获得专利的。

原子力显微镜在主动隔震，负刚度隔振和空气隔震的表现：

MinusK负刚度隔离器在低频振动隔离中使用了完全机械无源的概念，同时在多个方向上实现了高水平的隔离。

在负刚度隔振中，垂直隔振是通过支撑负重的刚性弹簧与负刚度机制相结合来实现的。使净垂直刚度非常低，而不会影响弹簧的静态载荷支撑能力。与垂直运动隔离器串联的梁柱可提供水平运动隔离。梁柱的作用就像是弹簧，加上负刚度机制。是一种紧凑的无源隔离器，能够具有非常低的垂直和水平固有频率以及非常高的内部结构频率。

使用完全无源的机械系统，该隔离器可提供0.5 Hz *的垂直隔离性能和水平的0.5 Hz的隔离性能-不需要空气或电力，（*请注意，对于固有频率为0.5 Hz的隔离系统，隔离的开始频率约为0.7 Hz，随着振动频率的增加而改善。固有频率更常用于描述系统性能。）

“对MinusK而言，关键因素是将真正的负弹簧常数系统与正弹簧常数结合在一起以实现有效的响应。弹簧常数非常柔和。”“这使得负刚度隔振装置在垂直方向上具有非常低的振动频率，这对于原子力显微镜的隔振至关重要。”负刚度隔振台在0.5 Hz处谐振。在此频率下几乎没有能量存在。在0.5 Hz处发现明显的振动将是非常不寻常的。频率高于0.7 Hz（负刚度隔振台开始隔振）的振动会随着频率的增加而迅速衰减（负刚度隔振台隔离振动）。

MinusK表示：“我们希望隔振频率为0.5 Hz，这可以通过负刚度实现。”“不是因为这个频率的振动很小，而是因为在10或20赫兹的建筑共振下，0.5赫兹比2赫兹的共振频率更能抵抗振动传播，而2赫兹的共振频率可以用气浮台”

气浮台作为隔振系统，在垂直方向提供有限的隔离，在水平方向提供较少的隔离。由于它们的共振频率可以与地板振动的频率相匹配，因此它们会使隔振问题变得更糟。气浮台会放大而不是减少2到7 Hz范围内的振动，因为气浮台会产生固有的共振频率。所有隔离器将在其谐振频率处进行放大，然后隔振。使用气浮台，在该共振频率范围内的任何振动不仅不能被衰减，而且还会被放大。

与空气隔振系统相比，具有负刚度隔离器的传递率得到了显着改善。传递率是相对于输入振动通过隔离器传递的振动的量度。负刚度隔离器调整至0.5 Hz时，在2 Hz时达到93％的隔振效率；5 Hz时为99％; 10 Hz时为99.7％。

MinusK表示：“我们的原子力显微镜隔振方案也确实考虑过有源隔离系统。” “我们尝试了很多。但是，考虑到显微镜的重量-它是相当重的设备（主动隔振系统可能承重不够），可以重达70磅-以及与原型显微镜装置相关的众多复杂因素，所以没有使用”

主动隔振也称为电子力消除，它使用电子设备感测运动，然后通过电子方式施加力以有效抵消或阻止运动。某些有源隔离系统从低至0.7 Hz就会开始隔离。但是有源系统的动态范围有限，超过该动态范围的振动，有可能导致隔离器进入正反馈并产生噪声。尽管有源隔离系统通常在共振时响应较低，但其传递率得却不会像负刚度隔离器那样快速下降。由于有源系统隔离器依靠电力运行，因此它们可能会受到可用电源问题的负面影响。它们还会产生热量，在某些应用中可能导致热漂移问题。

总结：

负刚度隔离器不需要电或压缩空气。没有马达，泵或腔室，也不需要维护，因为没有任何磨损。它们仅在被动机械模式下运行。

搭配负刚度隔振台可以扩展原子力显微镜范围：

使用实验室的原子力显微镜和RPI组合技术，并通过其被动负刚度隔振系统支持，它能够实现超过1毫米的扫描范围，在Z轴上的扫描范围比任何产品都强大

在AFM / RPI系统的支持下，AFM / RPI系统也已被证明能够以符合要求的分辨率和线性度，去探究骨组织中抗断裂性的分子起源，直至1 mm ^ 2以上。