基于弯曲法的微悬臂梁弹性常数标定技术与系统的研究

摘要

微悬臂梁具有结构简单、高灵敏度、成本低等特点,是纳米测试技术中的常用工具,尤其作为原子力显微镜(Atomic Force Microscope,AFM)探针时,在表面形貌测试、纳米操纵等方面应用广泛,而微悬臂梁作为力的感应单元对于扫描速度、力测量结果的精确度等影响很大。本文基于弯曲法中的天平法提出了一种新型的微悬臂梁弹性常数测量方案,通过光杠杆求出微悬臂梁的法向偏转量,精密天平测得弯曲力,最后由胡克定律求出弹性常数。本文完成了系统机械结构的设计和搭建,基于FPGA设计了核心测控电路,对不同型号、不同形状的微悬臂梁进行了标定实验,测量结果的重复性较好,大部分结果的相对标准差优于2％,测量结果真实可靠。由于本方法力的测量结果具有可溯源性,具有其他方法不可比拟的优势。
　　本文主要工作包括以下几个方面:
　　1.设计了超精密天平与光杠杆法相结合的微悬臂梁弹性常数标定系统,微悬臂梁的法向偏转量由光杠杆获得,弯曲力由天平测得;
　　2.搭建了微悬臂梁弹性系数标定系统,通过各部件的优化和器件的选型提高了标定系统的准确性,实现了微悬臂梁的法向运动、弯曲量的获取等功能;
　　3.基于FPGA设计了核心测控电路,包括位敏探测器(Position Sensitive Detector,PSD)信号提取单元、下位机PID反馈控制单元和压电陶瓷微位移器高压驱动单元等部分,设计了上位机界面,实现上位机与各个部分的通讯;
　　4.对NT-MDT公司的七种型号的微悬臂梁探针进行了标定实验,对标定结果进行了分析,并将测量结果与热振动法所测数据进行了对比。

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第一章 绪论

1.1微悬臂梁及其应用

1.2微悬臂梁弹性常数测试方法

1.3现有微悬臂梁弹性常数标定方法分析

1.4论文的主要工作

第二章 微悬臂梁弹性常数标定系统整体设计

2.1 NFC天平法原理

2.2标定系统总体设计

2.3控制系统

第三章 标定系统光路及机械结构设计

3.1感光元件选择

3.2双轴式位敏探测器信号的采集

3.3机械结构设计

第四章 标定系统控制部分

4.1 FPGA整体控制设计

4.2通讯协议

4.3上位机程序

第五章 标定实验及结果

5.1压电陶瓷微位移器特性测试

5.2标定实验

5.3影响实验因素

5.4实验结果

第六章 总结与展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢