具有原位力学测试和长度计量功能的AFM测头的研究

发布时间：2017-03-25 23:13

  本文关键词：具有原位力学测试和长度计量功能的AFM测头的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：纳米压/划痕仪、原子力显微镜(Atomic Force Microscopy，AFM)等是实现纳米力学测试的有力工具。纳米压/划痕仪对样品加载卸载完成后，常借助扫描探针显微镜(Scanning Probe Microscopy，SPM)实现测试点的扫描成像，所以没有原位测试功能。AFM探针的驱动单元和位移检测单元是其核心组成部分，在一定程度上决定了AFM的性能。商用AFM(Dimension Edge AFM除外)没有位移计量功能，探针位移进给值通过压电陶瓷的电压值推算得到，不能保证准确性。 本论文研制了一款具有原位力学测试和长度计量功能的AFM测头，采用电容传感器作为位移计量传感器实现探针位移的准确测量。力学测试完成后，无需移动样品，测头即可对测试点进行原位扫描成像。测头由压电陶瓷与柔性铰链相结合的精密驱动单元、环形电容传感器的位移检测单元和光学系统组成。测头可实现探针的最大位移进给量为3μm，分辨力优于10nm，测头可以很好地满足高准确度的原位纳米力学测试需求。 本论文的主要工作包括： 1.分析了纳米压痕仪、原子力显微镜、扫描电镜等常用纳米力学测试仪器优点和不足，针对它们的不足，提出了一种具有原位测试和长度计量功能的AFM测头，明确了课题的研究目的、意义和主要内容。 2.针对AFM测头的精密驱动单元设计，提出了一种基于柔性铰链结构的机械结构，并利用ANSYS有限元对其进行静力学和动力学仿真分析，实现了结构的优化。 3.针对AFM测头的位移检测单元，设计了带有中间通光孔的环形电容传感器，利用ANSYS有限元对其进行静电场仿真分析，优化尺寸设计。 4.针对精密驱动单元和位移检测单元分别设计了高压驱动电路和传感器信号调理电路。 5.编写了精密驱动单元的控制程序和传感器信号采集程序；采用LabVIEW编写了上位机交互界面。 6.针对AFM测头的灵敏度、线性、分辨力等重要指标，采用激光干涉仪进行标定实验，，并对实验结果进行了分析。
【关键词】：原位纳米力学测试 原子力显微镜 纳米压/划痕 压电陶瓷 柔性铰链环形电容传感器
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TH70
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-7
• 目录7-9
• 第一章 绪论9-19
• 1.1 引言9-10
• 1.2 纳米力学测试发展概况10-17
• 1.2.1 国外研究现状10-14
• 1.2.2 国内研究现状14-16
• 1.2.3 国内外现有纳米力学测试方法的主要问题16-17
• 1.3 课题研究的意义和主要内容17-19
• 1.3.1 课题研究的意义17
• 1.3.2 课题研究的主要内容17-19
• 第二章 AFM 测头总体设计19-24
• 2.1 AFM 测头19-20
• 2.2 检测光路20-21
• 2.3 带位移传感器的驱动单元21-23
• 2.4 测头电控系统总体设计23-24
• 第三章 精密驱动单元机械设计24-37
• 3.1 柔性铰链的力学特性24-29
• 3.1.1 常见柔性铰链及其力学特性分析24-29
• 3.2 柔性铰链机械结构的有限元仿真分析29-30
• 3.2.1 ANSYS 有限元分析步骤29-30
• 3.2.2 柔性铰链的 ANSYS 仿真分析30
• 3.3 柔性铰链的设计30-37
• 3.3.1 柔性铰链设计指标30-31
• 3.3.2 柔性铰链材料的选择31
• 3.3.3 压电陶瓷31-32
• 3.3.4 平行板柔性铰链机构32-36
• 3.3.5 柔性铰链的加工工艺36-37
• 第四章 AFM 测头控制电路设计37-55
• 4.1 测头测控系统总体设计37-38
• 4.2 环形电容传感器及信号调理电路38-46
• 4.2.1 环形电容传感器设计38-40
• 4.2.2 电容传感器的位移测量电路40-46
• 4.3 压电陶瓷驱动电路设计46-47
• 4.4 数字部分电路设计47-50
• 4.4.1 MSP430 单片机电路设计47-48
• 4.4.2 DA 转换电路设计48-49
• 4.4.3 AD 转换电路设计49-50
• 4.5 软件程序设计50-53
• 4.5.4 测头控制程序总流程图50-51
• 4.5.5 压电陶瓷控制程序设计51-52
• 4.5.6 传感器信号采集52-53
• 4.6 通讯协议和上位机界面53-55
• 第五章 AFM 测头标定55-59
• 5.1 实验装置55-56
• 5.2 AFM 测头的线性和灵敏度标定56-57
• 5.3 测头的分辨力标定57-59
• 第六章 AFM 测头应用实验59-65
• 6.1 常用微悬臂梁弹性常数标定法59-60
• 6.1.1 参考梁法59-60
• 6.1.2 天平测力法60
• 6.2 微悬臂梁弹性常数标定实验60-65
• 第七章 总结与展望65-67
• 参考文献67-70
• 发表论文和参加科研情况说明70-71
• 致谢71

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