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微力传感器系统设计及在AFM中的应用研究

作　者: 宋志杨
导　师: 董维杰
学　校: 大连理工大学
专　业: 电路与系统
关键词: 原子力显微镜微力传感器微悬臂梁压电陶瓷管扫描器
分类号: TP212.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 249次
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内容摘要

基于测量范德华力制成的原子力显微镜(Atomic Force Microscopy,AFM),现在已经广泛应用于化学、物理、表面科学等微观领域。压电式传感器和执行器具有结构简单、响应速度快、高频适用性强、驱动和处理电路简单等特点,在精密位移,精密定位、声学及力学量的检测等方面已经得到了广泛的应用。压电微悬臂在AFM中的应用是近十年的研究工作,一般用于位移传感、力传感和高速反馈定位。本文研究了基于PZT双片压电悬臂的微力传感器特性,并对该传感器应用于AFM进行了初步探索。为了提取和检测双片梁微弱的压电信号,搭建了基于电荷放大模块与锁相放大模块的微弱信号检测模块,具有体积小、重量轻和使用方便等优点。结合双片压电微悬臂梁在AFM中的实际应用模式,对其进行了机械特性和电学特性的测试测量,包括微悬臂法向弹性系数测量、准静态传感特性分析、静态执行特性测试、执行传感集成的谐频响应特性测试和一阶固有频率检测,并利用压电双晶片对双片梁对样品表面形貌扫描的微力测试进行了模拟,验证了双片结构的压电梁在微力感知与微位移检测方面的适用性。压电陶瓷管扫描器是AFM中的核心器件之一,在AFM工作时完成对样品X、Y方向的扫描,为了精确控制其扫描偏移量,搭建了基于LabVIEW虚拟仪器技术的测试平台,对其X/Y方向的微位移进行了检测,根据等间隔扫描的工作特点,提出简易非线性校正方法,大大降低了位移滞回偏差。研究表明双片结构的PZT压电微悬臂梁由于集成了执行与传感能力,在微力感知与微位移检测方面是适用的。在现有工艺和测量方法的基础上,若继续改善梁尺寸结构提高其电荷位移分辨率,则最终可以代替传统微悬臂应用到AFM系统。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
1 绪论  8-17
  1.1 课题的来源及意义  8-9
  1.2 原子力显微镜(AFM)概述  9-10
  1.3 压电微悬臂在微力测量方面的国内外研究现状  10-14
  1.4 压电悬臂微力传感器前期研究基础  14-15
  1.5 本文的目标及主要工作  15-17
2 压电学及原子力显微镜成像技术  17-25
  2.1 压电效应与压电方程  17-19
    2.1.1 压电效应  17
    2.1.2 压电方程  17-18
    2.1.3 压电系数  18-19
  2.2 原子力显微镜成像技术  19-25
    2.2.1 原子力显微镜的系统结构  19-20
    2.2.2 原子力显微镜的工作模式  20-22
    2.2.3 微力传感器系统在AFM中的应用模型  22-25
3 微弱压电信号检测  25-40
  3.1 微弱信号检测的不同方法  25-27
    3.1.1 锁相放大器微弱信号检测  26
    3.1.2 微弱振动信号的谐波小波频域提取  26
    3.1.3 基于噪声和混沌振子的微弱信号检测  26-27
  3.2 电荷放大器技术及应用  27-31
    3.2.1 电荷-电压变换电路的原理  27-28
    3.2.2 电荷-电压变换电路的特性  28-29
    3.2.3 电荷-电压变换电路的实际设计及应用  29-31
  3.3 锁相放大器及其在本课题微弱信号检测中的应用  31-34
    3.3.1 锁相放大器的工作原理  31-33
    3.3.2 锁相放大器的应用  33-34
  3.4 实验结果分析及操作注意事项  34-40
    3.4.1 电荷放大模块标定与分析  35-36
    3.4.2 锁相放大模块标定与分析  36-38
    3.4.3 实验注意事项  38-40
4 压电微悬臂机械与电学特性标定  40-60
  4.1 压电微悬臂法向弹性系数的测量  42-47
    4.1.1 法向弹性系数计算与测量  43-46
    4.1.2 测量结果分析  46-47
  4.2 压电微悬臂传感与执行能力测量  47-53
    4.2.1 准静态传感特性  47-49
    4.2.2 静态执行特性测试  49-51
    4.2.3 执行传感集成的谐振响应特性测试  51-53
  4.3 压电微悬臂梁固有频率检测  53-56
    4.3.1 微悬臂梁频率理论分析  53-54
    4.3.2 执行-传感集成法测量微悬臂梁固有频率  54-56
  4.4 表面形貌扫描的微力测试模拟  56-58
  4.5 本章小结  58-60
5 基于LabVIEW的压电陶瓷管扫描器微位移测量与校正  60-75
  5.1 压电陶瓷基本理论  60-63
    5.1.1 压电陶瓷基本特性  60-61
    5.1.2 四分压电陶瓷管在AFM中的应用  61-63
  5.2 压电陶瓷管扫描器驱动与微位移检测  63-70
    5.2.1 压电陶瓷管扫描器三维驱动标定  63-66
    5.2.2 压电陶瓷管扫描器X/Y二维微位移测量  66-70
  5.3 基于LabVIEW技术的压电陶瓷管非线性校正  70-75
    5.3.1 压电陶瓷管扫描器非线性校正研究  70-71
    5.3.2 压电陶瓷管扫描器非线性校正简易方法  71-74
    5.3.3 实验结果分析与注意事项  74-75
结论  75-77
参考文献  77-81
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  81-82
致谢  82-83

微力传感器系统设计及在AFM中的应用研究

内容摘要

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