面向納米測量的原子力探針系統(tǒng)的研究.pdf

1、超高精密機(jī)械零件的表面微觀形貌不僅直接影響著零件的使用性能，而且還影響著產(chǎn)品的質(zhì)量、可靠性及壽命。精確可靠地測量超精密表面的微觀形貌已成為超精密加工領(lǐng)域中一個(gè)亟待解決的關(guān)鍵問題。原子力顯微鏡表面分析儀器的發(fā)明和應(yīng)用極大地促進(jìn)了超精密加工及其檢測技術(shù)的發(fā)展，為人們研究超精密零件表面的微觀特性提供了有利的手段。
　　本論文在借鑒原子力顯微鏡原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合具有立方厘米級(jí)工作空間、納米級(jí)運(yùn)動(dòng)分辨率的6-DOF并聯(lián)工作臺(tái)的實(shí)際測量需要，

2、綜合考慮了系統(tǒng)的開放性、掃描范圍和調(diào)節(jié)裝置的可靠性，研制了面向納米測量定位的高精度表面納米級(jí)形貌測量樣機(jī)。
　　首先，分析了原子力探針系統(tǒng)的中原子力–距離的關(guān)系，并確定探針系統(tǒng)的探針的工作模式和樣品的掃描模式，從而選擇壓電陶瓷作為掃描微位移驅(qū)動(dòng)器；采用光學(xué)偏轉(zhuǎn)法檢測微懸臂偏轉(zhuǎn)量，并選用了PSD作為傳感元件，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了系統(tǒng)光路設(shè)計(jì)及其數(shù)學(xué)模型的建立。
　　其次，設(shè)計(jì)了測量系統(tǒng)的光路調(diào)節(jié)裝置，并進(jìn)行了主要結(jié)構(gòu)尺寸和裝配誤

3、差的分析，進(jìn)而確定了系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。使用Pro/E進(jìn)行三維建模，并繪制工程圖。針對系統(tǒng)對元件的性能要求，分析了元件的性能，并針對力傳感器–微懸臂在工作狀態(tài)下的性能進(jìn)行了模態(tài)分析。
　　最后，針對壓電陶瓷掃描器開環(huán)控制誤差較大的問題，使用了PID控制算法，獲得了良好的控制效果。同系統(tǒng)恒力模式下的閉環(huán)控制一起，構(gòu)建了探針系統(tǒng)雙閉環(huán)控制；使用VC++6.0開發(fā)平臺(tái)，完成了系統(tǒng)的相關(guān)控制功能的實(shí)現(xiàn)；針對標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行了三維表面形貌的測量實(shí)驗(yàn)