基于石英音叉与长度延伸谐振器的原子力显微镜力传感器比较

力传感器是原子力显微镜（AFM）性能的关键。如今，大多数AFM使用由硅制成的微机械力传感器，但压电石英传感器的应用正日益增加，主要在真空中。这些自感知力传感器允许将扫描隧道显微镜相对容易地升级为扫描隧道/原子力组合显微镜。两种根本不同的石英传感器已经实现了原子级分辨率：基于长度延伸谐振器的“针式传感器”和基于音叉的“qPlus传感器”。在这里，我们计算并测量了这些传感器的噪声特性。我们发现了四种噪声源：偏转探测器噪声、热噪声、振荡器噪声和热漂移噪声。我们计算了这些噪声源作为传感器刚度、带宽和振荡幅度函数的影响。我们发现，对于自感知石英传感器，偏转探测器噪声与传感器刚度无关，而其余三种噪声源随传感器刚度强烈增加。偏转探测器噪声随带宽的1.5次方增加，而热噪声和振荡器噪声与带宽的平方根成正比。然而，热漂移噪声与带宽成反比。前三种噪声源与振幅成反比，而热漂移噪声与振幅无关。因此，我们证明了先前引用的结论，即在与力作用范围相似的振荡幅度下可获得最佳信噪比，在考虑所有四种频率噪声贡献时仍然是正确的。最后，我们提出了如何进一步改善传感器信噪比的建议，并简要讨论了安装针尖的挑战。