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基于PVDF薄膜振动梁式测头的新型轻敲式扫描探针显微系统研制

作　者: 侯茂盛
导　师: 黄强先
学　校: 合肥工业大学
专　业: 精密仪器与机械
关键词: 钨针尖聚偏氟乙烯薄膜振幅反馈形貌图像扫描探针显微镜
分类号: TH742
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 97次
引　用: 2次
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内容摘要

扫描探针显微镜(SPM)是一系列分辨率可达原子量级的表面性质探测仪器的总称,这类仪器在计量学、微机电学、化学和生物医学等领域具有广泛应用前景。文中在研究扫描力显微镜(SFM)工作原理的基础上,开发出一种新型的由聚偏氟乙烯(PVDF)薄膜振动梁式测头构成的轻敲扫描探针显微系统。文中完成的研制工作主要为以下几部分:微针尖制备部分中,介绍和比较了多种电化学研磨的原理和优缺点并做出针对性改进,提出了改进的直流电化学研磨法,并运用该方法制备了一系列微针尖并分析了影响探针成型质量的各因素。在扫描力测头方面,阐述了所研制的新型轻敲扫描测头的构成及工作原理。通过系列实验,分析并优化了影响测头性能的各项参数。最后测定出轻敲扫描测头的共振频率、电信号振幅、机械弹性常数和品质因数等核心性能。微小形变的检测和处理部分中,根据系统中信号的特点,制作并调试了电荷型前置放大、电压放大、真有效值转换和滤波等检测、处理电路。在反馈控制方面,搭接系统各部分使之形成电压振幅反馈型控制回路,并为适合这一反馈特征改进了已有控制程序。在整系统的性能测试中,确定了扫描试样时所需设置的电压比较值、比例和积分常数、扫描速度等参数。然后进行了多组实际试样的扫描并做出三维形貌图像,再根据实测效果改善了试样扫描时的各参数设置;最后对文中所设计系统所能达到的性能指标做出分析和评定。文中叙述的各研究结果表明,所研制的新型扫描探针显微系统可以实现高空间分辨率、低测量力、适合各种材料、满足亚毫米微观高度差的表面形貌的测量,而这也符合了研制该仪器的初衷。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-7
致谢  7-14
第1章绪论  14-20
  1.1 引言  14
  1.2 扫描探针显微镜的工作原理及其局限性  14-18
    1.2.1 扫描隧道显微镜（STM）的产生及工作原理  14-15
    1.2.2 STM 的局限性  15-16
    1.2.3 扫描力显微镜（SFM）的工作原理  16-17
    1.2.4 扫描力显微镜的几种工作模式  17
    1.2.5 AFM 的局限性  17-18
  1.3 扫描探针显微镜的发展及现状  18-19
  1.4 课题研究内容及来源  19-20
    1.4.1 研究内容  19
    1.4.2 课题来源  19-20
第2章基于PVDF 振动梁的扫描探针显微系统构成  20-22
  2.1 系统整体的工作原理  20
  2.2 系统组成  20-22
第3章电化学法制备钨探针  22-27
  3.1 传统电化学法制备微细电极  22-23
  3.2 改进的直流电化学法制备钨针尖  23-27
    3.2.1 探针材料的选择  23
    3.2.2 改进的直流电化学研磨制备法  23-27
      3.2.2.1 传统电化学研磨法制备钨探针  23-24
      3.2.2.2 改进的直流电化学研磨法制备钨探针  24-27
第4章 PVDF 薄膜振动梁式轻敲测头的构成及性能  27-33
  4.1 基于PVDF 薄膜振动梁的轻敲式扫描测头的构成  27-28
  4.2 基于PVDF 薄膜振动梁的轻敲式扫描测头的测量方法  28
  4.3 基于PVDF 薄膜振动梁的轻敲式扫描测头的性能研究  28-33
    4.3.1 PVDF 薄膜振动梁的振动频率  28-29
    4.3.2 振动梁的弹性常数k  29-31
    4.3.3 悬臂的品质因数Q  31-32
    4.3.4 薄膜弧度  32-33
第5章控制信号的检测、处理和采集  33-38
  5.1 电荷信号检测  33-35
  5.2 电压信号处理  35-36
  5.3 直流电压信号的采集  36-38
第6章纳米定位台及反馈控制  38-47
  6.1 纳米位移台  38-41
    6.1.1 宏动部分  38-39
    6.1.2 微动部分  39
    6.1.3 微动部分的控制方式  39-41
  6.2 数字PI 调节器设计  41-43
  6.3 控制软件设计  43-47
    6.3.1 软件系统整体框架  43
    6.3.2 力曲线测试程序  43-44
    6.3.3 反馈控制程序  44-45
    6.3.4 试样扫描及图形显示程序  45-47
第7章系统性能评价  47-56
  7.1 系统结构实物图  47-48
  7.2 系统性能评价  48-56
    7.2.1 系统噪声测试  48-51
      7.2.1.1 数据采集单元自身的噪声  48-49
      7.2.1.2 纳米微动台的Z 向定位噪声  49-50
      7.2.1.3 处理电路的噪声  50-51
    7.2.2 力曲线测试及比较电压设定值的选取  51-52
    7.2.3 系统动态响应测试  52-55
    7.2.4 扫描试样的图像及分析  55-56
第8章总结与展望  56-59
  8.1 研究总结  56-57
  8.2 存在的问题及工作展望  57-59
参考文献  59-62
攻读硕士学位期间研究成果  62-63

基于PVDF薄膜振动梁式测头的新型轻敲式扫描探针显微系统研制

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