基于 qPlus 技术的 AFM 测头研究
afm的动力学力谱
afm的动力学力谱
AFM（原子力显微镜）的动力学力谱是指在AFM实验中测量的样
品表面上的力与位移之间的关系。
动力学力谱是通过在样品表面施
加周期性的力信号来测量样品的力响应。
这种技术可以提供关于样
品表面力的信息，包括弹性力、黏性力和粘附力等。
从理论角度来看，动力学力谱可以用来研究样品的力学性质，
比如弹性模量、粘性阻尼和粘着力。
通过测量力与位移之间的关系，可以得到样品表面的力学特性，从而揭示样品的微观结构和性质。
从实验角度来看，动力学力谱可以用来研究样品在不同环境条
件下的力学响应。
通过改变施加在样品表面的力信号的频率和幅度，可以得到样品在不同条件下的力学响应特性，从而揭示样品在不同
条件下的力学行为。
此外，动力学力谱还可以用来研究样品表面的动力学特性，比
如在动态加载下的变形行为和材料的疲劳性能等。
通过测量样品在
不同频率和幅度下的力学响应，可以得到样品在动态加载下的力学
性能，从而揭示样品的动态力学特性。
总的来说，动力学力谱是一种重要的表征样品力学性质的技术，可以从多个角度全面地揭示样品的力学特性和动态响应特性，对于
理解材料的力学行为和性能具有重要意义。
afm测试流程
AFM测试流程一、概述在微纳尺度下，原子力显微镜（AFM）被广泛应用于表面形貌和性能特征的研究。
AFM测试流程是使用AFM设备进行样品表征和测量的一系列步骤。
本文将详细探讨AFM测试流程的各个方面，从准备样品到最终数据处理和分析。
二、准备工作在进行AFM测试之前，需要进行一些准备工作：2.1 样品选择选择适合的样品进行测试。
样品可能是固体材料、液体样品或生物样品等。
根据实验目的，选择相应的样品。
2.2 样品表面处理根据需要，对样品表面进行处理。
这可以包括清洗、退火、涂层等步骤，以提高样品的表面质量和测量结果的准确性。
2.3 AFM设备准备确保AFM设备处于良好的工作状态。
检查探针、扫描头和样品台等部件是否完好，以及AFM设备的温度和湿度是否符合要求。
三、AFM测试流程AFM测试流程通常包括以下步骤：3.1 样品安装将样品安装在AFM设备的样品台上。
可以使用夹具、粘贴剂或其他方法固定样品。
确保样品的位置和方向正确。
3.2 初始扫描在进行详细扫描之前，进行初始扫描。
初始扫描可以提供样品表面的初始拓扑信息，并帮助选择合适的扫描参数。
3.3 扫描参数设置根据实验需求，设置扫描参数。
包括扫描精度、扫描速度、扫描范围等参数。
调整参数以获得所需的测量结果和图像质量。
3.4 扫描样品表面使用设定好的扫描参数对样品表面进行扫描。
扫描过程中，AFM设备通过探针与样品表面的相互作用，获得样品表面的形貌和性能特征。
3.5 数据采集和保存在扫描过程中，AFM设备将采集到的数据转化为图像和曲线。
及时保存采集到的数据，确保数据的完整性和有效性。
3.6 数据处理和分析对采集到的数据进行处理和分析。
可以使用专业的AFM数据处理软件，进行图像平滑、去噪、线性修正等操作。
根据实验要求，提取所需的参数和特征。
四、实验注意事项在进行AFM测试时，需要注意以下事项：4.1 样品平坦度样品表面应尽量平坦。
不平坦的样品会影响AFM扫描的准确性和可靠性。
afm制样方法
afm制样方法AFM制样方法（Atomic Force Microscopy Sample Preparation Method）引言：原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，AFM）是一种高分辨率的显微镜技术，可以用于研究材料表面形貌和力学性质。
在进行AFM观测之前，需要对样品进行制备，以确保获得准确、可靠的结果。
本文将介绍几种常用的AFM制样方法，包括机械剥离法、腐蚀法和电化学法，并对它们的优缺点进行比较。
一、机械剥离法机械剥离法是一种常用的AFM制样方法，适用于硬材料的制备。
该方法一般使用针尖或刀片对样品进行划割或剥离，从而得到所需的表面形貌。
机械剥离法的优点是操作简单、成本低廉，并且可以在常温下进行。
然而，由于机械剥离过程中的力量难以控制，容易引入人为误差，导致样品损伤或形貌失真。
二、腐蚀法腐蚀法是一种适用于金属材料的AFM制样方法。
该方法利用酸性或碱性溶液对样品进行腐蚀，从而得到所需的表面形貌。
腐蚀法的优点是可以精确控制腐蚀速率，得到高质量的制样结果。
此外，腐蚀法还可以用于去除样品表面的氧化层或污染物，提高制样质量。
然而，腐蚀法的缺点是需要使用腐蚀剂，操作过程中需要注意安全问题，并且对于一些特殊材料可能不适用。
三、电化学法电化学法是一种适用于导电性材料的AFM制样方法。
该方法利用电化学反应在样品表面形成氧化物或还原物，从而改变样品的表面形貌。
电化学法的优点是可以实现对样品表面形貌的精确控制，并且可以在室温下进行。
此外，电化学法还可以控制样品表面的化学成分，实现表面修饰。
然而，电化学法的缺点是需要使用电化学设备和电解液，操作过程相对复杂，并且对于一些非导电材料不适用。
四、方法比较与选择以上三种AFM制样方法各有优缺点，适用于不同类型的样品。
机械剥离法适用于硬材料，操作简单但易引入人为误差；腐蚀法适用于金属材料，可以精确控制制样过程但需要注意安全问题；电化学法适用于导电性材料，可以实现精确控制并进行表面修饰。
扫描探针显微技术之二——原子力显微镜(AFM)技术ppt课件
Lateral Force Microscopy (LFM)
Magnetic Force Microscopy (MFM)
Electrostatic Force Microscopy (EFM)
Chemical Force Microscopy (C学检测部分 反馈电子系统 计算机控制系统
10
工作模式
接触模式 (contact mode) 非接触模式 (non-contact mode) 轻敲模式 (tapping / intermittent contact mode)
van der Waals force curve
Near Field Scanning Optical Microscopy
(NSOM)
3
基本原理
1986，IBM，葛·宾尼（G. Binnig）发明了原子力 显微镜(Atomic Force Microscope ,AFM)——新一代 表面观测仪器．
原理：利用原子之间的范德华力（Van Der Waals
52
原子力显微镜 Atomic Force Microscopy
1
主要内容
发展历史 基本原理 应用
2
扫描探针显微镜SPM
SPM是指在STM基础上发展起来的一大类显微镜， 通过探测极小探针与表面之间的物理作用量如光、 电、磁、力等的大小而获得表面信息。
scanning tunneling Microscopy (STM， 1982)
11
工作模式-接触模式
d ＜０.０３nm
van der Waals force curve
针尖始终向样品接触并简单地在表面上移动，针 尖—样品间的相互作用力是互相接触原于的电子间 存在的库仑排斥力，其大小通常为10－8 —10－11N。
原子力显微镜(AFM)原理及应用讲解
•
相位移模式
作为轻敲模式的一项重要扩展技术，相移模式(相位移模式)通过检测驱动 微悬臂探针振动的信号源的相位角与微悬臂探针实际振动的相位角之差（即两 者的相移）的变化来成像。 引起该相移的因素很多，如样品的组分、硬度、粘弹性质等。因此利用相 移模式(相位移模式)，可以在纳米尺度上获得样品表面局域性质的丰富信息。 迄今相移模式(相位移模式)已成为原子力显微镜的一种重要检测技术。
1985年，IBM公司的Binning 和Stanford大学的Quate研发 出了原子力显微镜（AFM）， 弥补了STM的不足，可以用 来测量任何样品（无论导电 性与否）的表面。
2
AFM的结构简图
AFM针尖
AFM利用一个对微弱力极敏感的、在其一端带有一微小针尖的微悬臂，来代替STM 隧道针尖，通过探测针尖与样品之间的相互作用力来实现表面成像的（右上图）。
6 AFM的集中工作模式
• 接触模式：
微悬臂探针紧压样品表面，检测时与样品保持接触，作用力（斥力）通过 微悬臂的变形进行测量。
•
轻敲模式：针尖与样品表面相接触，分辨率高，但成像时针尖对样品的作用
力较大，适合表面结构稳定的样品。 用处于共振状态、上下振荡的微悬臂探针对样品表面进行扫描，样品表面 起伏使微悬臂探针的振幅产生相应变化，从而得到样品的表面形貌。 该模式下，扫描成像时针尖对样品进行“敲击”，两者间只有瞬间接触， 能有效克服接触模式下因针尖的作用力，尤其是横向力引起的样品损伤，适合 于柔软或吸附样品的检测。
3
AFM工作原理
原理：
AFM是在STM的基础上发展起来的。 所不同的是，它不是利用电子隧道效应，而 是利用原子之间的范德华力（Van Der Waals Force）作用来呈现样品的表面特性。 假设两个原子一个是在悬臂的探针尖 端，另一个是在样本的表面，它们之间的作 用力会随距离的改变而变化，其作用力与距 离的关系如右图所示，当原子与原子很接近 时，彼此电子云斥力的作用大于原子核与电 子云之间的吸引力作用，所以整个合力表现 为斥力的作用，反之若两原子分开有一定距 离时，其电子云斥力的作用小于彼此原子核 与电子云之间的吸引力作用，故整个合力表 现为引力的作用。
AFM在材料表面结构分析中的应用
AFM在材料表面结构分析中的应用一、引言原子力显微镜（AFM）是一种高分辨率的表面成像技术，它的分辨率能够达到纳米级别。
AFM技术可以用来研究各种材料的表面结构和分子尺寸。
因此，在材料科学和工业制造中，AFM技术已成为一个重要的工具。
二、 AFM的基本原理AFM实际上是基于近场扫描和触点力显微镜的原理。
在AFM 中，扫描探针通过跟踪样品表面的轮廓，获得样品表面的高度、形态等信息。
AFM可以直接在样品表面进行高分辨率成像，非常适合于研究具有原子级结构的表面材料。
三、材料表面结构分析中的应用1、成像AFM技术可以在不破坏样品结构的情况下，对表面进行高分辨率成像。
在材料科学研究中，AFM可以提供关于各种材料的表面和形态特征的信息。
在不同的阶段，包括材料制备、表面状态改变、洗涤和形态变化等过程中，使用AFM技术可以发现微观的结构变化。
例如，一些钙质生物被用于牙齿、骨骼和贝壳中，这些微观结构可以很好地被AFM技术探测到。
2、薄膜涂层薄膜涂层是材料科学和工业制造中的一个重要领域。
涂层的形态和厚度对材料的性能有很大的影响。
使用AFM技术可以测量膜厚度、表面形态和结构等数据，并且可以用来帮助控制膜结构和厚度。
3、生物纳米结构研究生物纳米结构对于认识生命现象并拓展制造生物纳米材料有很大的意义。
AFM技术非常适合用来研究生物纳米结构和细胞膜的结构。
AFM技术能够分辨出单个蛋白质、核酸和膜蛋白等分子，并能够探测到生物分子的形态。
通过AFM技术研究生物纳米结构，可以更好地了解生命科学中各种生物过程的机制。
四、结论AFM技术非常适用于材料表面结构的研究，无论是在材料科学还是在生命科学中都有重要应用。
在材料制备、表面活性剂处理、涂覆和加工等工业中，使用AFM技术可以实现对各种表面处理的优化。
随着AFM技术和数据处理技术的不断发展和完善，它在材料表面结构分析领域的应用将会更加广泛和深入。
原子力显微镜(afm)的基本构成
原子力显微镜（afm）的基本构成原子力显微镜（Atomic Force Microscope，简称AFM）是一种测量样品表面形貌和力学性质的仪器。
它是在20世纪80年代末发展起来的一种非接触式表面探测技术。
AFM可以在几个纳米至亚纳米尺度范围内进行表面测量，可用于对样品的形貌、磁性、电导率等性质进行研究。
下面将介绍AFM的基本构成。
1.扫描压电陶瓷动力系统：该系统由扫描器和压电陶瓷驱动器组成。
扫描器通常由三个方向的压电陶瓷构成，通过改变瓷片的形变来实现样品表面的扫描。
压电陶瓷驱动器则负责产生电压信号，控制扫描器的移动。
这个系统的精度决定了扫描和测量的精度。
2.悬臂梁/探针：AFM的探测部分由一个非常尖锐的探针组成。
探针的尖端通常是金或硅制成，其尺寸可以从几纳米到亚纳米。
悬臂梁/探针连接到悬臂支撑系统，其作用是传递扫描过程中对样品表面的力信号。
3.光学探测系统：AFM使用光学技术来获取样品的形貌信息。
光学系统通常包括激光光源、光学透镜和位移检测器。
激光光源发出一束光束，照射到悬臂梁上，并反射到位移检测器上。
位移检测器测量悬臂的挠度，并将其转换为电信号。
4.反馈系统与力曲线：AFM通过一个反馈系统来实现对扫描过程中的力信号的控制。
反馈系统会监测探针受到的力，将其与设定的力进行比较并进行调整，以保持恒定的力作用在探针上。
此外，反馈系统还会记录力曲线，即探针所受到的力与其在样品表面扫描位置之间的关系。
5.控制和数据分析系统：AFM的控制系统通过电脑来实现。
该系统控制扫描器的移动和力信号的获取，并根据获取的数据进行分析和处理。
用户可以通过电脑软件来控制AFM仪器的各种参数，并进行样品表面的三维成像、力谱分析等。
除了以上基本构成外，AFM还可以根据研究需求配备不同的显微镜头，以扩展其应用范围。
常见的显微镜头包括原子力显微镜（Atomic Force Microscope，简称AFM）、磁力显微镜（Magnetic Force Microscope，简称MFM）、电导率显微镜（Conductive Atomic Force Microscope，简称C-AFM）等。
afm测试流程
afm测试流程AFM测试流程Atomic Force Microscopy（AFM）是一种高分辨率的表面形态分析技术，可用于获取材料表面的三维形态信息。
在进行AFM测试之前，需要进行一系列的准备工作。
下面将详细介绍AFM测试的流程。
一、样品准备1. 样品制备根据实验要求，制备需要测试的样品。
样品可以是各种材料，如金属、半导体、聚合物等。
2. 样品清洗使用去离子水和乙醇等溶液对样品进行清洗，以去除表面污染物和灰尘等杂质。
3. 样品固定将样品固定在AFM扫描台上，并保持平稳不动。
二、仪器设置1. 扫描参数设置根据实验要求设置扫描参数，包括扫描速度、扫描范围和采集点数等。
2. 选择探针根据需要选择合适的探针，并安装在探头支架上。
3. 探头校准使用标准校准样品对探头进行校准，确保探针能够正常工作并获得正确的数据。
三、开始测试1. 执行预扫描在进行正式扫描之前，需要进行预扫描以确定样品的表面形貌和位置。
2. 开始扫描设置好扫描参数后，开始对样品进行扫描。
在扫描过程中，可以观察到样品表面的三维形态信息，并记录下来。
3. 数据处理将获得的数据导入相应的软件中进行处理和分析。
可以对数据进行滤波、平滑、剖面分析等操作，以获取更加精确的结果。
四、结束测试1. 停止扫描当测试完成后，停止扫描并将探针移开。
2. 拆卸探头将探头从支架上拆卸下来，并清洗干净。
3. 关闭仪器关闭AFM仪器并做好相关记录和存档工作。
总结AFM测试是一种高分辨率的表面形态分析技术，在材料科学、纳米技术等领域有着广泛的应用。
在进行AFM测试之前，需要进行充分的样品准备和仪器设置，并严格按照流程操作。
通过正确地执行AFM测试流程，可以获得高质量的数据和精确的结果。
基于AFM-IR的高分子聚合物添加剂定量检测新方法
（Sinopec Beijing Research Institute of Chemical Industry，Beijing 100013，China）
Abstract：A quantitative detection method for trace additives in polymers was established based on the atomic force microscopy-infrared spectroscopy（AFM-IR） detection platform. The proportion of high-light points and the average signal intensity at different infrared absorption wavelengths were statistically analyzed by characterizing polypropylene samples with different concentrations of antioxidant 168. The standard curve of antioxidant concentration was successfully drawn with a high fitting degree of 0.996 7. This method can be used for detecting different additives in unknown samples.
1.4
0.10
倄Ϛ◥ࢌ℀, ԍणᑦᏒⰤᄥऄࡂ
1.3
0.09
1.2
0.08
1.1
0.07
1.0 0.06
AFM测试参数对等高粗糙表面黏着影响的实验研究
AFM测试参数对等高粗糙表面黏着影响的实验研究陈荣誉;黄平【摘要】采用具有600 nm周期的一维硅光栅来表示等高粗糙表面,研究AFM的测试参数对等高粗糙表面的黏着影响.实验所使用的探针为平头探针(PL2-CONTR-10,Nanosensors),其针尖直径为2μm,实验分别在空气中以及干燥环境下进行,通过力曲线的测量,计算出黏着力的平均值以及标准差.结果表明:载荷与停留时间会引起黏着力的略微增大或减小,但总体影响不是很大;在空气中,随着退针速率加快,黏着力先表现出先增大然后减小的趋势;而在干燥环境下,黏着力随着退针速率的加快逐渐减小.【期刊名称】《润滑与密封》【年(卷),期】2016(041)005【总页数】4页(P6-9)【关键词】等高粗糙;硅光栅;AFM;黏着;平头探针【作者】陈荣誉;黄平【作者单位】华南理工大学机械与汽车工程学院广东广州510640;华南理工大学机械与汽车工程学院广东广州510640【正文语种】中文【中图分类】TH117.1在过去几十年里，随着微机电系统(MEMS)的发展，市场对于电子元器件以及相关设备的需求趋向于微小化。
而不同于宏观尺寸，在微纳米尺度下物体更多的是受到表面效应而不是惯性作用。
因此，在微纳米尺度下，黏着力是导致设备失效的一个主要原因[1]。
比如：在微接触打印技术中，黏着力会导致打印器触脚的变形[2]、微悬臂梁的黏着失效[3]、微机械加速计梳齿结构的黏连[3]等。
另一方面，黏着力在某些领域也有着重要作用，如黏性磁带。
在自然界中，如甲虫、苍蝇、壁虎等动物能够在墙壁、天花板上爬动也是黏着力的作用。
因此，为更好地利用黏着力，需要研究哪些因素会影响黏着力以及如何控制黏着力的大小。
目前，有很多学者进行了黏着方面的实验研究[4-17]。
其中，最主要的有表面的粗糙度会影响黏着力的大小，环境的湿度会影响毛细液桥的形成并最终影响黏着力。
这些实验大部分是基于原子力显微镜(AFM)完成的，而AFM的测试参数如：载荷大小、停留时间、退针速率等对黏着力也有一定的影响[12-17]。
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基于 qPlus 技术的 AFM 测头研究王志新;高思田;李东升;李琪;李适;李伟;施玉书【摘要】初步设计并组装了基于 qPlus 技术的原子力显微镜（AFM）测头。
使用石英音叉型力传感器替代了硅悬臂传感器，并设计了前置放大电路，研究了测头的频率特性，利用搭建的实验装置对测头的性能进行了测试。
测试结果表明：该测头在频率调制（FM）模式下具有较高灵敏度。
同时测头频率特性的研究显示探针及其粘接部位的质量是影响测头谐振频率的最主要因素。
为 qPlus-AFM 测头的设计、组装及后续研究提供了经验和基础。
%The atomic forcemicroscope(AFM)scanning head based on the qPlus technology is preliminarily designed and assembled. The silicon cantilever sensor is replaced by quartz tuning fork type force sensor. Preamplifier circuit is designed and frequency characteristic of this scanning head is also analyzed. Finally,the experimental device for this scanning head is set up to make performance test. The test results show that the scanning head has a high sensitivity in the mode of frequency modulation. Meanwhile,the analysis of frequency characteristic indicates that the weight of tip and the bonding portion is the main factor to influence the resonant frequency of this scanning head. This research provides experiences for the design and assembly of this type scanning head and also lays a foundation for further study.【期刊名称】《计量学报》【年(卷),期】2016(037)002【总页数】5页(P113-117)【关键词】计量学;qPlus技术;原子力显微镜;石英音叉;频率调制模式【作者】王志新;高思田;李东升;李琪;李适;李伟;施玉书【作者单位】中国计量学院计量测试工程学院，浙江杭州 310018;中国计量科学研究院，北京 100029;中国计量学院计量测试工程学院，浙江杭州 310018;中国计量科学研究院，北京 100029;中国计量科学研究院，北京 100029;中国计量科学研究院，北京 100029;中国计量科学研究院，北京 100029【正文语种】中文【中图分类】TB92随着qPlus技术的迅速发展，使得非接触式原子力显微镜（AFM）的空间分辨率得到了极大提升［1］。
qPlus技术使用石英音叉型力传感器代替传统的硅悬臂传感器，使得探针可以在微纳米振幅下工作，从而大幅提高了短程力的探测灵敏度，进而获得分子内的原子分辨［2］。
基于qPlus技术的扫描探针显微技术已经被国外多个研究组用来研究日益广泛的样品体系，并获得了许多研究成果。
目前，鉴于国内对qPlus方法与应用研究较少，中国计量科学研究院（NIM）在计量型原子力显微镜的研究方面已取得一定成果［3～5］的基础上，利用由二脚无源32.768 kHz晶振去掉外壳而得到的石英音叉，初步自主设计并组装了基于qPlus技术的原子力显微镜测头，完成了其前置放大电路设计，研究了该测头的频率特性，并利用搭建的实验装置对测头的性能进行了测试。
qPlus技术的核心是使用石英音叉型力传感器代替传统的硅悬臂传感器。
石英音叉是利用石英晶体的压电效应而制成的谐振元件，其化学性能稳定、热膨胀系数低，又由于石英晶体的损耗非常小，即品质因数Q值非常高［6］，且其悬臂弹性系数很大，保证了系统具有很高的灵敏度。
qPlus传感器就是将石英音叉一条悬臂固定，另一个臂作为微悬臂，在微悬臂上粘上探针构成的装置，其顶端的探针在压电陶瓷激励源的激励下以谐振频率和设定的恒定振幅振动，由于压电效应，恒定振幅振动着的悬臂会输出一个简谐振动的电压信号。
当探针靠近样品表面，样品与探针的相互作用会改变悬臂简谐振动的振动频率，输出包含有样品信息的电压信号［7］。
设计的qPlus原子力显微镜测头采用外激励加自传感方式，使用压电陶瓷机械激发音叉振动，具体结构如图1所示。
石英音叉的一个臂通过绝缘玻璃片固定在压电陶瓷上，而压电陶瓷通过绝缘片固定在设计的基座上，以便于安装在测试设备上。
石英音叉采用西铁城手表晶振公司生产的二脚无源CFS206晶振去除外壳获得，标称频率为32.768 kHz，音叉悬臂长度为3 mm。
压电陶瓷选用PI公司的PL033.30产品，其基本尺寸为：33332 mm，行程为：2.2 μm±20%，空载谐振频率大于300 kHz。
测头探针选用直径为0.15 mm GoodFellow公司PT025135型铂铱合金线（Pt90／Ir10），其硬度可达130～190 HB，抗拉强度为380～620 MPa，采用机械剪切法进行制备，自制探针的SEM图像如图2所示。
由于石英音叉太脆、容易损坏，探针又太过微小，且手工粘接容易抖动，很难保证粘接质量；故利用大恒CCD、三维手动位移台以及设计的装夹机构搭建测头的组装装置，测头的基座通过转接板固定在位移台上，另一位移台上固定夹持探针的装置，通过手动控制两位移台移动并借助CCD的实时观察，完成探针的粘接。
测头组装中胶粘剂的选择是影响系统性能的主要因素，经过多次试验，选择了Norland紫外固化光学胶NOA63，相比与其它类型的胶粘剂，省去了通常需要的预混合、干燥或热固化等操作，且其应力小、固化速度快，硬度和抗拉强度高。
制作过程中，要保证压电陶瓷上石英晶片厚度与音叉单臂厚度相当，探针长度约1mm。
最终组装完成的qPlus测头如图4所示。
qPlus测头压电效应输出的信号是极其微弱的（电流为nA级），测头性能将直接依赖于前置放大电路性能，尽可能不失真的获取音叉输出的微弱信号。
前置放大电路的设计如图5所示。
整个电路采用了两级放大，前级为电流-电压放大电路［8］，为了消除电路震荡，需要进行相位补偿，采用超前补偿的方式，将超前补偿电容C1加入反馈回路中；第二级为反向比例放大器，主要起到反向及频率补偿的作用，同时如果前级放大后的电压信号仍比较小，则可更换第二级电路的反馈电阻，使其起到放大信号的作用。
为了进一步提高前置放大电路性能，经过各种参数比较后，电路采用高性能放大器芯片OPA627，其失调电流10 pA，带宽可达16 MHz，噪声水平更低。
同时电路设计中，应尽量缩短反馈电阻与反相输入端相连的管脚，以减小输入杂散电容；电源及运算放大器附近采用电源旁路电容。
石英音叉输出的电信号包括其幅度、相位及频率信息。
锁相环电路（PLL）可实现测头励振和频率跟踪，幅度和相位信息则可通过锁相放大器获得。
为了得到该测头的频率特性并分析影响其频率特性的因素，提高测头的谐振频率，分别在测头粘接探针前后进行扫频。
实验采用Zurich公司的锁相放大器HF2LI，其内置波形发生器、解调器和可扩展PLL模块。
波形发生器可以给测头提供激励，无需模拟的自振荡电路；PLL模块则可以检测测头频率的变化量。
在组装测头过程中，对未粘接探针的测头进行扫频实验，得到的幅频特性曲线如图6所示。
测头在未粘接探针时的谐振频率为32.34 kHz，与石英音叉标称频率32.768 kHz相当，可以看出测头在粘接探针前期的组装过程对其谐振频率几乎没有影响。
随后对多组已粘接探针的测头进行扫频，实验得到各组测头的谐振频率在15～20kHz范围内，并随着测头粘接探针过程中光学胶用量的增大而减小。
最终在保证探针粘接强度的情况下，采用适量光学胶得到用于后期试验的测头，其幅频特性曲线如图7所示，谐振频率基本控制在18.8 kHz附近。
通过实验对比可以看出，测头在粘接探针前后的幅频特性曲线的形状基本相同，但其谐振频率前移；同时探针及其粘接部位的质量是影响测头谐振频率的最主要因素。
在测头粘接探针过程中，要采用适量的光学胶，在保证粘接牢固的情况下尽可能的提高测头谐振频率。
在下一步的研究中可以使用硬度系数高、密度更低的其它类型的粘接剂，减小粘接部位质量，同时还可考虑减小探针直径、采用电化学研磨方法制备探针并选用其它类型的探针材料，从而降低探针质量，进一步提高测头的谐振频率。
测试系统如图8所示，Zurich HF2LI型锁相放大器，提供压电陶瓷的外部激励，同时对音叉输出电信号进行解调；测头通过夹具固定在THORLABS MAX313D三维手动微位移台上，其下方为放置有样品的芯明天公司XP-780纳米位移台。
通过调节微位移台使探针与样品接近，同时通过位移台控制器控制纳米位移台移动，进行测头在幅度调制（AM）及频率调制（FM）模式下的力曲线测试。
测试用qPlus测头的幅频及相频曲线如图9所示。
AM模式［9］下，qPlus测头工作在其谐振频率，压电陶瓷在锁相环外部激励下带动音叉悬臂振动，当探针接近样品时，近场力作用到探针上，音叉悬臂的振幅随两者之间距离变化而改变，音叉输出电信号中的幅度信息通过外接电路获得。
XE-517闭环位移台控制器控制纳米位移台正弦波运动（峰峰值分别设为200 nm、50 nm，频率设定为1 Hz），位移台与探针之间周期性地接近和远离，通过示波器可以观察测头信号的变化，同时XE-517控制器带有电容传感器输出端口，将位移台的移动情况输入示波器中，得到的音叉幅度信号与距离曲线如图10所示。
FM模式［10］下，qPlus测头谐振频率的变化反应探针与样品表面距离的变化，HF2LI内置的PLL模块跟踪音叉频率的变化，XE-517同样控制纳米位移台正弦波运动（峰峰值分别设为200 nm、50 nm，频率设定为1 Hz），得到音叉的频率偏移量与距离的曲线如图11所示。
以上2组图，两种模式下该测头都具有不错的性能，但与商业成型的AFM测头相比仍有很大差距，分析原因，机械剪切法制备的探针，其形状及尖端尺寸不能完全满足要求；测头在FM模式下更为灵敏，此时外界环境对其影响比较大，因此在测头性能测试中尽量采用高性能纳米位移台并减小外部噪声干扰。