具有原位力學(xué)測試和長度計量功能的AFM測頭的研究.pdf

1、具有原位力學(xué)測試和長度計量功能的具有原位力學(xué)測試和長度計量功能的AFM測頭的研究測頭的研究StudyonanAFMheadwithfunctionsofinsitunanomechanicalmeasurementlengthtraceability學(xué)科專業(yè)：儀器科學(xué)與技術(shù)研究生：曾薈燕指導(dǎo)教師：李艷寧教授天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院二零一三年十二月摘要納米壓劃痕儀、原子力顯微鏡(AtomicFceMicroscopy，AFM)等是

2、實(shí)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(ScanningProbeMicroscopy，SPM)實(shí)現(xiàn)測試點(diǎn)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(DimensionEdgeAFM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

3、能的AFM測頭，采用電容傳感器作為位移計量傳感器實(shí)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(diǎn)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(shí)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(diǎn)和不足，針對

4、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(shí)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