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基于新型音叉探针的动态原子力显微测量系统开发

作　者: 王思明
导　师: 郭彤
学　校: 天津大学
专　业: 仪器科学与技术
关键词: 原子力显微镜 音叉探针 动态模式 频率调制 相位调制
分类号: TH741.8
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 2次
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内容摘要


随着微纳制造技术飞速发展，对与之相关的微纳检测技术提出了更高要求，体现在测量范围、测量精度和测量速度等方面。原子力显微术（AFM）是微纳检测技术中的一项重要方法，可以实现微结构器件的表面形貌检测，分辨力能达到纳米级。测头与大范围高精度定位平台相结合实现毫米级测量范围和纳米级分辨力的动态AFM是近年来AFM发展的一大热点。本文在充分调研动态AFM研究现状和发展趋势的基础上，将自感应音叉测头与大范围纳米定位平台（NMM）相结合，构建了一套可以在多种工作模式下使用的动态AFM测量系统。论文主要完成的工作包含以下几个方面：1.从音叉探针的结构特点入手解释其工作原理。建立音叉探针的力学模型，得到了探针的两个谐振频率并讨论了音叉探针工作频率的选择问题。构建音叉探针的电学模型，分析了内部寄生电容对音叉探针的影响。介绍了动态AFM三种工作模式的原理并讨论了不同工作模式的特点。2.开发了小型自感应音叉测头。设计了信号处理电路，实现了音叉探针信号的放大滤波和寄生电容的补偿。将小型自感应音叉测头与NMM结合，搭建了一套大范围的AFM测量系统，并且保证了测量结果的溯源性。设计了以DSP为核心的数字PI反馈控制系统，制作了一台反馈信号控制器。测量系统可以实现多种测量模式，各种测量模式之间可以通过控制器上的模式切换开关实现快速切换而不需要改变线路的连接情况。3.通过提取音叉探针内部纳安级微弱电流的实验得到了激励电压与音叉探针电流的关系。利用显微激光多普勒测振法测量音叉探针的机械振幅，实现了音叉探针机电耦合系数的标定。讨论了温度和外界振动对音叉探针的品质因数、谐振频率等参数的影响。测试了反馈控制模块的性能。使用AFM测量系统在频率调制和相位调制两种工作模式下完成了对标准栅格结构测量，验证了测量系统的可行性。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章 绪论  8-16
  1.1 微纳米检测技术  8-9
  1.2 原子力显微镜及其发展现状  9-14
    1.2.1 原子力显微镜的工作模式  9-13
    1.2.2 计量型大范围原子力显微镜  13-14
  1.3 课题的意义及主要工作  14-16
第二章 音叉探针工作原理与动态AFM工作模式  16-28
  2.1 自感应音叉探针  16-22
    2.1.1 自感应音叉探针的结构特点  16-17
    2.1.2 自感应音叉探针的工作原理  17-19
    2.1.3 探针的力学模型  19-20
    2.1.4 探针的电学模型  20-22
  2.2 动态AFM的工作原理  22-27
    2.2.1 动态AFM的幅值调制模式  22-24
    2.2.2 动态AFM的频率调制模式  24-25
    2.2.3 动态AFM的相位调制模式  25-27
  2.3 本章小结  27-28
第三章 基于新型音叉探针原子力显微测量系统的搭建  28-53
  3.1 测量系统的硬件组成  28-45
    3.1.1 显微观测系统  29-30
    3.1.2 自感应测头及信号提取模块  30-37
    3.1.3 测量系统的双运动平台结构  37-41
    3.1.4 反馈控制模块  41-45
  3.2 系统的软件组成  45-52
    3.2.1 反馈控制的软件系统  45-50
    3.2.2 easyPLL控制软件  50-51
    3.2.3 NMM控制软件  51-52
  3.3 本章小结  52-53
第四章 系统性能测试及实验  53-76
  4.1 测量系统及系统噪声分析测试  53-56
  4.2 自感应测头性能测试实验  56-64
    4.2.1 自感应测头内部微弱电流检测实验  56-57
    4.2.2 自感应测头的机械振幅测量实验  57-61
    4.2.3 讨论影响测头性能的环境因素  61-64
  4.3 反馈信号控制器的测试实验  64-68
    4.3.1 A/D和D/A的测试  64-66
    4.3.2 PI反馈测试  66-68
  4.4 基于新型音叉探针原子力显微系统的测量实验  68-75
    4.4.1 测头传感器的间接标定与自动进针  69-70
    4.4.2 频率调制模式下的一维栅格测量实验  70-73
    4.4.3 相位调制模式下的一维栅格测量实验  73-75
  4.5 本章小结  75-76
第五章 总结与展望  76-78
参考文献  78-82
发表论文和参加科研情况说明  82-83
致谢  83

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中图分类: > 工业技术 > 机械、仪表工业 > 仪器、仪表 > 光学仪器 > 光学计量仪器 > 测量显微镜
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