基于压电微悬臂梁阵列的并行探测相关技术研究

摘要

扫描探针显微镜(SPM)的原理是利用一端固定，另一端装有针尖的弹性微悬臂梁来检测样品表面形貌或其他表面性质。该系统分辨率高、操作简单，被广泛应用于材料研究、缺陷分析、成膜条件评价、质量控制等诸多方面：确立了微悬臂梁在样品表面性质研究和微小探测领域的主导地位。目前常用的单探针SPM检测面积小、扫描速度低、检测效率也较低，不能完全满足现今MEMS发展对检测范围以及效率的要求。为提高SPM的检测效率、扩大检测面积，多探针并行检测系统是扫描探针显微镜发展的必然趋势。
　　 本文在基于PZT薄膜压电微悬臂梁阵列的并行扫描探针显微镜的系统开发工作中，完成了对薄膜尺度效应的研究，系统相关电路的设计，微悬臂梁的性能测试，系统集成实验以及并行成像相关技术的研究。
　　 在对压电薄膜在作为机电转换元件时的尺度效应进行研究时，首先分析了提高悬臂梁探测灵敏度的方法，从而提出了对超薄PZT薄膜的研究。利用溶胶-凝胶法在Pt/Ti/SiO2/Si/Sio2/Ti/Pt基底上制备了140nm～440nm不同厚度的PZT薄膜，并选择了合适的方法对其制备了上电极。测试了不同厚度薄膜的介电性能以及铁电性能。证明了溶胶-凝胶法制备超薄PZT薄膜的可行性，并对薄膜性能进行了一定分析。
　　 在并行SPM相关控制电路的设计中，设计了直流偏置电路、多路选择电路，对微弱信号拾取的前置放大电路进行了一定优化。对电路性能进行了测试，证明了电路的可用性。之后，对自制的微悬臂梁将进行了性能测试，并将其与已完成的电路集成于AFM系统，对Pt/Ti/SiO2/Si/Sio2/Ti/Pt样品进行了扫描实验，得到了有一定成像精度的图像。
　　 最后，对并行SPM系统成像技术进行了研究。完成了平面成像与三维成像的程序设计，灰度图像到伪彩色图像转换的算法研究，去除系统误差的算法研究与软件编写，并主要针对并行探测深入研究了图像拼接相关技术。选择了合适的拼接算法，达到了相似度为96％的准确拼接，并利用图像处理方法提高了像质。用软件模拟了实时拼接的过程，并针对实验数据对实时拼接的意义进行了一定的探讨。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1压电微传感器发展现状

1.1.1压电陶瓷材料的发展

1.1.2基于锆钛酸铅薄膜的压电微传感器

1.2微悬臂梁阵列并行检测系统

1.2.1并行检测系统的发展

1.2.2 PZT薄膜压电微传感器阵列

1.3本论文的研究意义及构成

1.3.1本硕士论文的研究目标和意义

1.3.2本硕士论文的构成

第二章压电薄膜在作为机电转换元件时的尺度效应研究

2.1超薄PZT薄膜研究的意思

2.1.1压电薄膜微悬臂梁探测灵敏度分析

2.1.2提高探测灵敏度的方法研究

2.2国内外超薄PZT薄膜研究进展及研究成果

2.3超薄PZT薄膜的研究

2.3.1溶胶-凝胶法制备超薄PZT薄膜的工艺简介

2.3.2超薄PZT薄膜的制备

2.3.3针对超薄薄膜的上电极制备及图形化工艺研究

2.3.4 PZT薄膜电学性能的测试

2.4本章小结

第三章并行探测SPM系统信号处理电路设计及系统集成与测试

3.1直流偏置电路的设计

3.2多路选择电路的设计

3.3前置放大电路的优化

3.4微悬臂梁性能测试

3.5系统集成实验

3.6本章小结

第四章并行探测SPM系统成像技术研究

4.1成像技术研究

4.1.1成像原理

4.1.2平面成像与三维成像

4.1.3灰度图像到伪彩色图像的转换的研究

4.2软件降噪

4.3图像拼接

4.3.1拼接图像模型的模拟

4.3.2图像预处理

4.3.3拼接算法的研究

4.3.4灰度平衡

4.3.5图像的自然缝合

4.3.6拼接实验及相似度计算

4.3.7实时拼接的模拟

4.4本章小结

第五章总结与展望

5.1总结

5.1.1本论文的主要工作及结论

5.1.2本论文的创新点

5.2展望

参考文献

在读硕士期间发表的论文

致谢