微力傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)及在AFM中的應(yīng)用研究.pdf

1、基于測(cè)量范德華力制成的原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy，AFM)，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于化學(xué)、物理、表面科學(xué)等微觀領(lǐng)域。壓電式傳感器和執(zhí)行器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、高頻適用性強(qiáng)、驅(qū)動(dòng)和處理電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，在精密位移，精密定位、聲學(xué)及力學(xué)量的檢測(cè)等方面已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。壓電微懸臂在AFM中的應(yīng)用是近十年的研究工作，一般用于位移傳感、力傳感和高速反饋定位。 本文研究了基于PZT雙片壓電懸臂的微力傳感器特

2、性，并對(duì)該傳感器應(yīng)用于AFM進(jìn)行了初步探索。為了提取和檢測(cè)雙片梁微弱的壓電信號(hào)，搭建了基于電荷放大模塊與鎖相放大模塊的微弱信號(hào)檢測(cè)模塊，具有體積小、重量輕和使用方便等優(yōu)點(diǎn)。結(jié)合雙片壓電微懸臂梁在AFM中的實(shí)際應(yīng)用模式，對(duì)其進(jìn)行了機(jī)械特性和電學(xué)特性的測(cè)試測(cè)量，包括微懸臂法向彈性系數(shù)測(cè)量、準(zhǔn)靜態(tài)傳感特性分析、靜態(tài)執(zhí)行特性測(cè)試、執(zhí)行傳感集成的諧頻響應(yīng)特性測(cè)試和一階固有頻率檢測(cè)，并利用壓電雙晶片對(duì)雙片梁對(duì)樣品表面形貌掃描的微力測(cè)試進(jìn)行了模擬，驗(yàn)

3、證了雙片結(jié)構(gòu)的壓電梁在微力感知與微位移檢測(cè)方面的適用性。壓電陶瓷管掃描器是AFM中的核心器件之一，在AFM工作時(shí)完成對(duì)樣品X、Y方向的掃描，為了精確控制其掃描偏移量，搭建了基于LabVIEW虛擬儀器技術(shù)的測(cè)試平臺(tái)，對(duì)其X/Y方向的微位移進(jìn)行了檢測(cè)，根據(jù)等間隔掃描的工作特點(diǎn)，提出簡(jiǎn)易非線性校正方法，大大降低了位移滯回偏差。 研究表明雙片結(jié)構(gòu)的PZT壓電微懸臂梁由于集成了執(zhí)行與傳感能力，在微力感知與微位移檢測(cè)方面是適用的。在現(xiàn)有工藝