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AFM微探针纳米刻划深度仿真及实验研究

作　者: 张英华
导　师: 孙涛；胡振江
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 纳米加工 AFM 微探针有限元
分类号: TH742
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

自原子力显微镜(AFM)问世以来,其应用领域已由原来的微观表面形貌检测或表面特征的表征扩展到纳米加工。目前,将AFM作为加工工具对不同材料表面进行纳米结构加工已成为AFM主要的应用领域之一。因此,对基于原子力显微镜的纳米刻划的相关技术进行深入研究具有重要的理论意义与实用价值。本文通过分析国内外相关微纳米加工技术的研究现状,针对基于扫描探针显微镜的微加工系统中采用原子力微探针刻划加工三维加工中亟待解决的加工深度问题,借助理论、仿真以及实验手段进行了研究。微探针的刻划加工可以分为两个过程,即压入过程和刻划过程。刻划过程目前有三种模式:恒力、恒高、深度可控。因而,本文首先通过压痕理论得到了压入深度与工作台Z向位移量的关系,并通过该理论公式分析了微探针压入过程中针尖形状、材料属性以及微悬臂的弹性对压入过程的影响。随后的压痕实验验证了由压痕理论得到的理论公式;其次,本文采用有限元的方法建立了微探针刻划的各个模式下的仿真模型,并进行了仿真分析。最后,进一步完善了基于原子力显微镜深度可控的微加工系统,并通过实验验证了仿真结果。进一步研究了恒高模式下工作台速度、进给量、不同的刻划加工方向以及恒高、恒力两种模式下针尖负载对加工深度的影响。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章绪论  8-14
  1.1 课题背景意义及研究目的  8-9
  1.2 微纳加工技术的研究现状  9-13
    1.2.1 传统微细加工技术研究现状  9-11
    1.2.2 基于原子力显微镜的微纳加工研究现状  11-13
  1.3 本课题研究内容  13-14
第2章微探针压入过程分析  14-22
  2.1 引言  14
  2.2 针尖下材料的变形分析  14-15
  2.3 压痕实验理论分析  15-19
    2.3.1 量纲分析  15-17
    2.3.2 理论推导  17-19
  2.4 压痕实验研究  19-21
  2.5 本章小结  21-22
第3章微探针刻划过程有限元仿真  22-40
  3.1 引言  22-23
  3.2 有限元网格畸变和网格重划分  23-25
  3.3 有限元模型的建立  25-33
    3.3.1 几何模型的建立  25-29
    3.3.2 单元类型的选择  29-30
    3.3.3 材料模型的建立  30-31
    3.3.4 摩擦模型的建立  31-32
    3.3.5 边界条件的建立  32-33
  3.4 仿真分析  33-35
    3.4.1 刻划过程分析  33-34
    3.4.2 两种刻划模式对加工深度的影响  34-35
  3.5 深度可控方法的加工仿真  35-39
    3.5.1 深度可控的加工方法简介  35
    3.5.2 深度可控的加工方法的边界条件  35-37
    3.5.3 深度可控有限元仿真的实现  37-38
    3.5.4 仿真结果分析  38-39
  3.6 本章小结  39-40
第4章微探针刻划过程实验研究  40-54
  4.1 引言  40
  4.2 微探针刻划实验准备  40-44
    4.2.1 样品制备  40-41
    4.2.2 人机交互界面的编制  41-44
  4.3 微探针刻划过程实验研究  44-50
    4.3.1 针尖负载对加工深度的影响  45-46
    4.3.2 工作台速度对加工深度的影响  46-48
    4.3.3 工作台进给量对加工深度的影响  48-49
    4.3.4 其他因素对加工深度的影响  49-50
  4.4 微探针刻划有限元仿真模型的验证  50-53
  4.5 本章小结  53-54
结论  54-55
参考文献  55-60
攻读学位期间发表的学术论文  60-61
哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明  61
哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书  61
哈尔滨工业大学硕士学位涉密论文管理  61-62
致谢  62

AFM微探针纳米刻划深度仿真及实验研究

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