压电探针表面信息并行读取若干关键技术研究

摘要

基于微探针阵列来实现样品表面的并行探测是解决单根探针扫描速度慢问题的根本途径。本文研究内容包括：1、基于压电微探针阵列的超高密度信息存储中纳米数据坑的读取；2、利用具有自驱动和自检测功能的压电微探针构建轻敲模式的并行原子力显微镜。 压电微探针用于超高密度信息存储中纳米数据坑的读取，主要面临信噪比不高的问题。根据对多层结构压电微探针弯曲变形的电荷灵敏度的分析，指出优化上电极钝化层的设计可以在保证探针低刚度的前提下提高电荷灵敏度，并相应的改进了探针加工工艺流程；在电荷放大读取电路中引入低噪声直流偏置电压，增强PZT薄膜的等效横向压电系数d<,31>，进一步提高电荷灵敏度。研究工作有助于存储密度进一步提高时利用压电微探针读取更小尺度的数据坑。 压电微探针具有自驱动和自检测能力，不需要外部的激励单元和检测单元，便于多探针集成构建并行原子力显微镜。轻敲模式AFM中，样品表面的高低起伏对压电微探针的振动状态进行调制，简单的实现单路压电微探针的交流振动解调是利用压电微探针构建轻敲模式并行AFM的基础。设计了差动式电荷前置放大器来提取表征探针振动的微弱压电信号，并利用开关相敏检波方法实现压电微探针交流振动的解调。在单路压电微探针交流振动检测方案的基础上，基于C6711 DSK数字开发平台设计了A/D、D/A子卡，来实现恒高度模式扫描样品表面的四路并行AFM系统。

目录

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第一章绪论

§1.1微机电系统

§1.2基于探针阵列的超高密度信息存储

§1.3基于探针阵列的并行原子力显微镜

§1.4本文的主要研究内容

第二章基于压电探针阵列的超高密度存储表面信息读取

§2.1超高密度存储表面信息读取方式

§2.2压电探针表面信息读取电荷灵敏度分析

§2.3优化探针结构设计提高电荷灵敏度

§2.4增强等效横向压电系数d31提高电荷灵敏度

§2.5本章小结

第三章轻敲模式压电探针信号的检测方法与实现

§3.1轻敲模式压电探针工作原理

§3.2差动式电荷前置放大电路设计

3.2.1差动式电荷前置放大的原理

3.2.2差动式电荷前置放大电路硬件设计

§3.3基于开关相敏检波的交流信号检测

3.3.1开关相敏检波方法的原理

3.3.2开关相敏检波的参数设计

3.3.3交流信号检测电路硬件设计

§3.4本章小结

第四章并行轻敲模式压电探针信号处理的研究

§4.1并行轻敲模式压电探针的恒高度工作模式

§4.2基于C6711 DSK平台的多通道压电探针检测方案

§4.3压电探针阵列并行工作的问题讨论

§4.4本章小结

第五章总结与展望

§5.1本文主要结论

§5.2展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢