基于压电微音叉的扫描探针显微镜系统研究

摘要

扫描探针显微镜(SPM)在微机电学、化学和生物医学等方面有着广泛的应用前景。本文研究了一种由压电微音叉作为测头的扫描探针显微镜系统。
　　 本文完成的工作主要有以下几个部分：扫描探针显微镜测头方面，文中介绍了系统测头构成原理，并对测头性能进行了测试；硬件电路方面，采用锁相环路对测头进行励振及频率跟踪，对原有的锁相环路进行了改进。文中介绍了锁相环路的工作原理，以及本系统中运用锁相环路实现测头励振与频率跟踪的改进方案及其实现；另外硬件电路方面调试了测头谐振信号的真有效值转换及转换后的放大滤波电路和相位差电压值的滤波电路；反馈控制方面，搭建系统各部分形成振幅反馈与相位反馈控制回路；系统软件设计方面，采用VC设计了探针与试样逼近测试程序、系统动态响应测试程序以及试样扫描程序，并运用各程序对系统各项参数进行了测试；最后，对试样进行了测试，给出了扫描获得的试样表面微观形貌图以及相位图，并且对图像进行了分析，证明了系统的有效性。
　　 根据文中所叙述的各项研究结果，表明所研究的扫描探显微镜系统具有较高的垂直空间分辨率，以及可以实现大台阶试样的微观形貌测量。

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致谢

第一章 绪论

1.1引言

1.2扫描隧道显微镜(STM)

1.3扫描力显微镜(SFM)

1.3.1扫描力显微镜的工作原理

1.3.2扫描力显微镜的工作模式

1.3.3 AFM的局限性

1.4课题研究内容及课题来源

1.4.1课题研究内容

1.4.2课题来源

第二章 基于压电微音叉的扫描探针显微镜系统构成

2.1系统工作原理

2.2系统组成

第三章 系统测头构成及其性能

3.1压电微音又及其谐振特性

3.2基于压电微音叉的SPM测头

3.2.1实验使用的晶振

3.2.2基于压电微音叉的SPM测头

3.2.3探针的制备及音叉粘接探针后测头性能测试

第四章 硬件电路改进及调试

4.1测头励振及频率跟踪电路的改进

4.1.1锁相环路的工作原理

4.1.2测头励振与频率跟踪电路改进

4.1.3鉴相器

4.1.4环路滤波器

4.2信号的检测、处理与采集

4.2.1测头谐振信号的检测及振幅反馈

4.2.2相位差电压的检测及相位反馈控制

4.2.3电压信号的采集

第五章 纳米定位台及控制软件设计

5.1纳米定位台

5.1.1宏动部分

5.1.2微动部分

5.1.3微动部分的控制

5.2数字PI调节器设计

5.2.1 PID控制

5.2.2数字PID调节器

5.2.3本系统数字PI调节器设计

5.3控制软件设计

5.3.1系统软件设计

5.3.2探针与试样的逼近

5.3.3力曲线测试程序设计

5.3.4动态响应程序设计

5.3.5扫描试样程序设计

第六章 系统性能测试

6.1系统噪声测试

6.1.1数据采集部分自身的噪声测试

6.1.2纳米定位台的Z向定位噪声测试

6.1.3处理电路的信号噪声测试

6.2探针与试样逼近曲线测试

6.3系统动态响应测试及PT参数的确定

6.4扫描试样及其图像分析

6.4.1振幅反馈下试样扫描及其图像分析

6.4.2相位反馈控制下试样扫描图像

6.4.3探针重建

第七章 总结与展望

7.1研究总结

7.2工作展望

参考文献

硕士期间发表论文及获奖情况