AFM微悬臂梁法向弹性系数标定技术

摘要

原子力显微镜(AFM)广泛应用于表面形貌测量和材料表面纳米尺度的力学特性研究。作为AFM的信号拾取单元，微悬臂梁探针法向弹性系数的准确度直接影响AFM实施力学特性测量的准确度。本文完成了一种新颖的微悬臂梁法向弹性系数标定方案及相应系统的可行性分析。该方案在原理上基于弯曲方法，分别采用超精密天平和光杠杆测量悬臂梁的弯曲力和挠度，进而由胡克定律得到悬臂梁法向弹性系数。本文主要完成了该系统的测控电路设计及光学、机械模块的安装调试，并利用该系统对多种型号微悬臂梁进行了实际标定，测量相对标准差小于5％，表明该系统具有良好的稳定性与可靠性，有望成为微悬臂梁法向弹性系数的标定标准。
　　 本文主要工作内容包括以下几个方面：
　　 1.对微悬臂梁法向弹性系数标定方法的国内外研究现状进行分析和比较，指出已有研究工作存在的若干不足，完成了精密天平和光杠杆结合的微悬臂梁弹性系数标定方案的可行性分析；
　　 2.依据微悬臂梁弹性系数标定对弯曲量和弯曲力测量的要求，实现了相应的标定系统设计；该系统主要包括微悬臂梁定位控制装置、弯曲量的光杠杆测量装置、精密天平及辅助视觉监测装置等；
　　 3.完成了微悬臂梁弹性系数标定系统中测控电路的研制，主要包括基于MSP430F149单片机的微悬臂梁宏一微两级位移定位控制模块和光杠杆信号采集与处理模块，并编写相应的单片机程序；
　　 4.利用该标定系统开展了多种型号微悬臂梁法向弹性系数标定的实验研究，并与热噪声法的测量结果进行了比对。