基于MEMS的陣列式掃描探針顯微鏡測頭理論與技術(shù)研究.pdf

1、掃描探針顯微鏡(SPM)憑借其原子級的分辨力迅速在表面科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)等研究領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用,但是隨著科學(xué)研究和工業(yè)應(yīng)用對成像范圍、掃描速度等需求的提高,迫切希望SPM性能也隨之提高。本文研究了一種基于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的陣列式SPM測頭,借助靜電梳齒結(jié)構(gòu)的大行程、高線性度、易集成性和陣列式探針的特點(diǎn),結(jié)合大范圍納米定位平臺,搭建了大范圍陣列式探針SPM。在提高SPM的掃描效率、擴(kuò)大測量范圍等方面進(jìn)行了較深入的研究工

2、作。主要工作包括:
　　1.研究了測頭的力學(xué)等效模型,推導(dǎo)了測頭三個維度上的彈性系數(shù)計(jì)算公式,并結(jié)合有限元方法進(jìn)行仿真,優(yōu)化測頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)。設(shè)計(jì)了MEMS陣列式探針SPM測頭。并合理配置測頭整體結(jié)構(gòu)三個維度上的彈性系數(shù),使測頭更穩(wěn)定的工作。
　　2.構(gòu)建了測頭的電學(xué)模型,并研究了其電學(xué)特性,分析了測頭針尖所連接的主梁在受力發(fā)生平移和偏轉(zhuǎn)時,給測頭電容模型帶來的非線性影響。分析測頭在加載靜電場時的側(cè)向吸合力和懸浮力等。確定

3、了測頭的掃描模式、極限掃描行程和極限施加電壓。
　　3.提出了陣列式靜電梳齒結(jié)構(gòu)測頭的三種工作模式:恒高模式、恒力模式和動態(tài)模式。分析三種工作模式的特點(diǎn)。并對恒高模式和恒力模式進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究
　　4.提出了一種利用納米測量機(jī)和超精密電磁天平快速可溯源的探針彈性系數(shù)標(biāo)定方法。保證了測頭恒力工作模式的穩(wěn)定性和測量準(zhǔn)確性。
　　5.將測頭與大范圍精密定位測量平臺—納米測量機(jī)結(jié)合,設(shè)計(jì)了陣列式探針SPM。實(shí)驗(yàn)標(biāo)定了測頭的靈敏度