本文關(guān)鍵詞：具有原位力學(xué)測試和長度計量功能的AFM測頭的研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：納米壓/劃痕儀、原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy，AFM)等是實現(xiàn)納米力學(xué)測試的有力工具。納米壓/劃痕儀對樣品加載卸載完成后，常借助掃描探針顯微鏡(Scanning Probe Microscopy，SPM)實現(xiàn)測試點的掃描成像，所以沒有原位測試功能。AFM探針的驅(qū)動單元和位移檢測單元是其核心組成部分，在一定程度上決定了AFM的性能。商用AFM(Dimension Edge AFM除外)沒有位移計量功能，探針位移進(jìn)給值通過壓電陶瓷的電壓值推算得到，不能保證準(zhǔn)確性。 本論文研制了一款具有原位力學(xué)測試和長度計量功能的AFM測頭，采用電容傳感器作為位移計量傳感器實現(xiàn)探針位移的準(zhǔn)確測量。力學(xué)測試完成后，無需移動樣品，測頭即可對測試點進(jìn)行原位掃描成像。測頭由壓電陶瓷與柔性鉸鏈相結(jié)合的精密驅(qū)動單元、環(huán)形電容傳感器的位移檢測單元和光學(xué)系統(tǒng)組成。測頭可實現(xiàn)探針的最大位移進(jìn)給量為3μm，分辨力優(yōu)于10nm，測頭可以很好地滿足高準(zhǔn)確度的原位納米力學(xué)測試需求。 本論文的主要工作包括： 1.分析了納米壓痕儀、原子力顯微鏡、掃描電鏡等常用納米力學(xué)測試儀器優(yōu)點和不足，針對它們的不足，提出了一種具有原位測試和長度計量功能的AFM測頭，明確了課題的研究目的、意義和主要內(nèi)容。 2.針對AFM測頭的精密驅(qū)動單元設(shè)計，提出了一種基于柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，并利用ANSYS有限元對其進(jìn)行靜力學(xué)和動力學(xué)仿真分析，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。 3.針對AFM測頭的位移檢測單元，設(shè)計了帶有中間通光孔的環(huán)形電容傳感器，利用ANSYS有限元對其進(jìn)行靜電場仿真分析，優(yōu)化尺寸設(shè)計。 4.針對精密驅(qū)動單元和位移檢測單元分別設(shè)計了高壓驅(qū)動電路和傳感器信號調(diào)理電路。 5.編寫了精密驅(qū)動單元的控制程序和傳感器信號采集程序；采用LabVIEW編寫了上位機(jī)交互界面。 6.針對AFM測頭的靈敏度、線性、分辨力等重要指標(biāo)，采用激光干涉儀進(jìn)行標(biāo)定實驗，，并對實驗結(jié)果進(jìn)行了分析。
【關(guān)鍵詞】：原位納米力學(xué)測試 原子力顯微鏡 納米壓/劃痕 壓電陶瓷 柔性鉸鏈環(huán)形電容傳感器
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TH70
【目錄】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-7
• 目錄7-9
• 第一章 緒論9-19
• 1.1 引言9-10
• 1.2 納米力學(xué)測試發(fā)展概況10-17
• 1.2.1 國外研究現(xiàn)狀10-14
• 1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀14-16
• 1.2.3 國內(nèi)外現(xiàn)有納米力學(xué)測試方法的主要問題16-17
• 1.3 課題研究的意義和主要內(nèi)容17-19
• 1.3.1 課題研究的意義17
• 1.3.2 課題研究的主要內(nèi)容17-19
• 第二章 AFM 測頭總體設(shè)計19-24
• 2.1 AFM 測頭19-20
• 2.2 檢測光路20-21
• 2.3 帶位移傳感器的驅(qū)動單元21-23
• 2.4 測頭電控系統(tǒng)總體設(shè)計23-24
• 第三章 精密驅(qū)動單元機(jī)械設(shè)計24-37
• 3.1 柔性鉸鏈的力學(xué)特性24-29
• 3.1.1 常見柔性鉸鏈及其力學(xué)特性分析24-29
• 3.2 柔性鉸鏈機(jī)械結(jié)構(gòu)的有限元仿真分析29-30
• 3.2.1 ANSYS 有限元分析步驟29-30
• 3.2.2 柔性鉸鏈的 ANSYS 仿真分析30
• 3.3 柔性鉸鏈的設(shè)計30-37
• 3.3.1 柔性鉸鏈設(shè)計指標(biāo)30-31
• 3.3.2 柔性鉸鏈材料的選擇31
• 3.3.3 壓電陶瓷31-32
• 3.3.4 平行板柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)32-36
• 3.3.5 柔性鉸鏈的加工工藝36-37
• 第四章 AFM 測頭控制電路設(shè)計37-55
• 4.1 測頭測控系統(tǒng)總體設(shè)計37-38
• 4.2 環(huán)形電容傳感器及信號調(diào)理電路38-46
• 4.2.1 環(huán)形電容傳感器設(shè)計38-40
• 4.2.2 電容傳感器的位移測量電路40-46
• 4.3 壓電陶瓷驅(qū)動電路設(shè)計46-47
• 4.4 數(shù)字部分電路設(shè)計47-50
• 4.4.1 MSP430 單片機(jī)電路設(shè)計47-48
• 4.4.2 DA 轉(zhuǎn)換電路設(shè)計48-49
• 4.4.3 AD 轉(zhuǎn)換電路設(shè)計49-50
• 4.5 軟件程序設(shè)計50-53
• 4.5.4 測頭控制程序總流程圖50-51
• 4.5.5 壓電陶瓷控制程序設(shè)計51-52
• 4.5.6 傳感器信號采集52-53
• 4.6 通訊協(xié)議和上位機(jī)界面53-55
• 第五章 AFM 測頭標(biāo)定55-59
• 5.1 實驗裝置55-56
• 5.2 AFM 測頭的線性和靈敏度標(biāo)定56-57
• 5.3 測頭的分辨力標(biāo)定57-59
• 第六章 AFM 測頭應(yīng)用實驗59-65
• 6.1 常用微懸臂梁彈性常數(shù)標(biāo)定法59-60
• 6.1.1 參考梁法59-60
• 6.1.2 天平測力法60
• 6.2 微懸臂梁彈性常數(shù)標(biāo)定實驗60-65
• 第七章 總結(jié)與展望65-67
• 參考文獻(xiàn)67-70
• 發(fā)表論文和參加科研情況說明70-71
• 致謝71

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本文編號：267926